AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie Fyzika a nukleární medicína

1. Jaderná a radiační fyzika
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
1.1. Atomy a atomová jádra
1.2. Radioaktivita
1.3. Jaderné reakce
1.4. Radionuklidy
1.5. Elementární částice
1.6. Ionizující záření


1.5. Elementární částice a urychlovače

Při výkladu vlastností atomů v kap.1.1 jsme poznali, že ani atom, ba dokonce ani jeho jádro nejsou elementárními stavebními kameny hmoty, ale jsou složeny z ještě menších částic - elektronů, protonů, neutronů. Při studiu radioaktivity jsme poznali i některé další částice - pozitrony, neutrina. Jsou tyto subatomární částice již opravdu vnitřně "jednolité" - elementární a fundamentální? Nebo mají svou vnitřní strukturu, složenou z "ještě menších" částic? (podrobnější diskuse je níže v pasáži "Jsou elementární částice skutečně elementární?").
  V této kapitole se pokusíme o stručný, ale systematický výlet do pestrého a podivuhodného světa elementárních částic. Při výkladu budeme postupovat induktivním způsobem. Po úvodních pasážích o společných vlastnostech částic, jejich třídění a zákonitostech interakcí, budeme postupovat od základních, známých a hojně rozšířených částic a jejich jednoduchých vlastností (přímočaře plynoucích z experimentů), přes "exotičtější" částice a složitější mechanismy interakcí, až k unitárním symetriím a pokusům o vyjasnění vnitřní struktury částic. Zmíníme i hypotetické a modelové částice, z nichž některé nejsou dosud ani přímo objeveny, či jejich úloha v přírodě zatím není zcela pochopena.
  Nejdříve si nastíníme systematiku elementárních částic a pak si rozebereme vlastnosti a interakce jednotlivých konkrétních druhů částic, včetně vzniku částic při vysokoenergetických interakcích. A rovněž antičástic - jejich vznik a anihilace, jejich role v přírodě, možnosti využití. Zamyslíme se též nad tím, co mají jednotlivé částice společné a jak jsme pokročili na cestě k jednotnému pochopení fyziky částic a polí - k unitární teorii pole. Nakonec si popíšeme, jakým způsobem zkoumáme interakce částic při vysokých energiích na urychlovačích částic.
  Za vším tím množstvím získaných poznatků o elementárních částicích je skryto obrovské úsilí a kolosální objem práce tisíců fyziků, techniků a dělníků - konstruktérů složitých urychlovacích systémů a detekčních aparatur.
  Předtím si ale učiníme několik obecných poznámek a diskusí o částicích jako takových :
Terminologická poznámka - elementární? : 
Název "elementární" neboli "základní" by měl znamenat, že se jedná o objekt dále nedělitelný, bez vnitřní struktury; je to tedy nejjednodušší materiální objekt chovající se jako samostatná fyzikální entita. V průběhu přírodovědného poznání mikrosvěta se však několikrát ukázalo, že částice dříve považované za základní (elementární) mají vnitřní strukturu a skládají se z ještě "menších", základnějších či "elementárnějších" částic. Podle dřívějších názorů nedělitelný atom (odtud jeho název) má složitou strukturu elektronového obalu a atomového jádra. Protony a neutrony v atomových jádrech byly též považovány za nedělitelné, avšak novější výzkumy (ve standardním modelu částic) ukázaly, že se skládají z kvarků (stejně jako ostatní hadrony). Názory na "elementárnost" částic se tak mohou měnit v závislosti na aktuálním stavu fyzikálního poznání
(podrobnější diskuse je níže v pasáži "Jsou elementární částice skutečně elementární?").
  Jelikož tedy mnohé částice jsou "složené", označení "elementární" zde může být zavádějící. Jedná se však o vžitý název, podobně jako název "atom", který již dávno neznamená "nedělitelný". V posledních letech se často slovo "elementární" vypouští a hovoří jen o "částicích".

Existují vůbec elementární částice ?  "Kuličkový" model.
Naše představa existence - že "něco existuje" - se odvíjí od naší každodenní zkušenosti s pozorováním makrosvěta okolní přírody. Existují např. kameny - můžeme je vidět, ohmatat, potěžkat, příp. nimi hodit. Existují různé druhy rostlin a živočichů se specifickým vzhledem a vlastnostmi. Existují buňky v organismech, které můžeme pozorovat v mikroskopu, včetně jejich vnitřní struktury (viz např. §5.2., část "Buňky - základní jednotky živých organismů") a studovat jejich biochemické projevy. V mikrosvětě subatomárních či dokonce subnukleárních rozměrů je to však složitější. Částice mikrosvěta rozhodně nemůžeme vidět ani sebesilnějším mikroskopem - jsou mnohem menší než vlnová délka viditelného světla. Ani tehdy, kdybykom se v myšlené sci-fi představě zmenšili na "pidimužíky" velikosti pikometru a pozorovali pomocí záření mnohem kratších vlnových délek, žádné lokalizované částice bychom neviděli. Kvantové relace neurčitosti "rozmazávají" stanovení rychlosti při přesném měření polohy a měření rychlosti částice zase rozmazává její polohu. Viděli bychom snad jen rozmazané chomáčky fluktuujících polí. Z tohoto obvyklého pohledu bychom mohli vyslovit "kacířské" tvrzení, že "elementární částice neexistují"!
  Při podrobnějším fyzikálním bádání však dospíváme k poznání, že existuje "něco" skrytého, co je nositelem fyzikálních sil, např. elektrického náboje, něco co přenáší prostorem energii, co způsobuje vzájemná působení - interakce - hmotných těles. V klasické fyzice to jsou fyzikální pole, v kvantové fyzice kvanta polí. To "něco" nazýváme elementární částice
(slůvko "elementární" bylo diskutováno výše). Nedovedeme si to nijak konkrétně představit a proto si je modelově znázorňujeme jako malé kuličky - např. elektrony kreslíme jako červené, protony jako modré, neutrony jako šedé kuličky, neutrina jako třebas zelené; je to otázka konvence. Tyto kuličky, mající určitou hmotnost, náboj a další fyzikální charakteristiky, se podle obvyklých zákonitostí (relativistické) mechaniky prostorem pohybují určitou rychlostí a s ní související kinetickou energií. S určitou pravděpodobností (viz níže "Účinný průřez") se mohou "srážet" - interagovat - s jinými kuličkami (částicemi), přičemž z tohoto místa vylétají další kuličky - částice stejných nebo jiných vlastností. Během vlastního průběhu interakce se "kuličkový model" však použít nedá, probíhají tam často značně složité kvantově-polní procesy (viz níže "Feynmanovy diagramy"). Kuličkový model je velice úspěšný - v koprodukci s fyzikálními mechanismy elektromagnetických, silých a slabých interakcí dovede vysvětlit či znázornit prakticky všechny jevy s částicemi mikrosvěta v atomové, jaderné, radiační a částicové fyzice. Toto "kuličkové znázornění", příp. doplněné o vlnovou povahu, proto kreslíme ve většině obrázků našeho pojednání "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Kdo si objednal "exotické" částice? 
Pro pochopení stavby hmoty, která je kolem nás, vystačíme s několika málo shora zmíněnými částicemi (§1.1 a 1.2) - fotony, elektrony, protony, neutrony (popř. ještě neutriny, mesony, kvarky u a d). Přesto však při interakcích částic (ať již uměle vyvolaných, nebo v kosmickém záření) se setkáváme s mnoha dalšími částicemi, které - jak se aspoň zdá - nemají žádnou úlohu při stavbě hmoty. Nic z nich není složeno, nejsou schopny vytvořit vázané struktury, většinou se po svém vzniku okamžitě rozpadají. Vzniká metaforická otázka "kdo si je objednal?" - jaký mají smysl a úlohu ve fungování našeho světa?
(poprve tuto otázku vyslovil I.I.Rabi v souvislosti s objevem mionu). Odpověď na tuto otázku se snaží najít unitární teorie pole a částicová fyzika v koprodukci s astrofyzikou a kosmologií. Unitární teorie pole se pokoušejí najít zákonitosti a mechanismy, které existenci těchto částic umožňují nebo implikují - jako kvanta excitovaných polí či geometrických struktur (§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Astrofyzika a kosmologie ukazuje, že všechny tyto částice patrně kdysi ve vesmíru byly v nejranějších stádiích, svou úlohu při "uvaření" hmoty již sehrály a pak zanikly (viz např. §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." zmíněné knihy); bez nich by vesmír nebyl takový jaký je, možná by vůbec nevznikla hmota..?.. Některé tyto částice snad tvoří zatím záhadnou "temnou hmotu" ve vesmíru (viz např.§5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času."). A my se nyní pokoušíme tyto částice znova vytvořit a zkoumat, abychom pochopili raný vesmír a mohli určitěji odpovědět na otázky, jak vznikla hmota a jaké má vnitřní vlastnosti...

Nerozlišitelnost elementárních částic
Tělesa a částice v klasické mechanice při svém pohybu neztrácejí svou "individualitu", a to i tehdy, když se jedná o stejné částice se stejnými fyzikálními vlastnostmi (z makroskopického hlediska). Takové částice tvořící daný fyzikální systém můžeme v určitém počátečním čase "označkovat" či "očíslovat" a potom při sledování jejich pohybu můžeme, aspoň v principu, v každém časovém okamžiku identifikovat každou z částic v systému - částice jsou zde rozlišitelné.
  Při analýze pohybu a chování částic v kvantové mechanice je situace z tohoto hlediska úplně jiná. V důsledku korpuskulárně-vlnového dualismu a principu neurčitosti nemají částice, např. elektrony, žádné trajektorie ve smyslu klasické kinematiky. Stanovíme-li polohu částice v daném okamžiku, stává se neurčitou její hybnost; pak v dalších následujících okamžicích není možné stanovit žádné určité hodnoty souřadnic částice. Kdybychom se tedy v určitém okamžiku pokusili lokalizovat elektrony a pomyslně si je "očíslovat", pak v jiném časovém okamžiku při lokalizaci elektronu v určitém bodě prostoru již nemůžeme určit, který z uvažovaných elektronů se dostal do tohoto bodu. V kvantové mechanice není žádná možnost průběžně sledovat pohyb jednotlivých částic a tím je rozlišovat. Mikročástice se projevují jen svými interakcemi s jinými částicemi. Stejné částice tedy v kvantové mechanice zcela ztrácejí svou individualitu - jejich fyzikální vlastnosti jsou identické, jsou vzájemně nerozlišitelné.

  Na tomto principu nerozlišitelnosti částic je založeno kvantově-mechanické chování souborů skládajících se ze stejného druhu částic. Jelikož částice jsou stejné a nerozlišitelné, musí být ekvivalentní i fyzikální stavy soustavy získané záměnou (přehozením, transpozicí) dvou částic "1" a "2"; z kvantového hlediska musí hustota pravděpodobnosti úyú2 tohoto systému zůstat stejná při vzájemné záměně částic: úy("1","2")ú2 = úy("2","1")ú2, tj. buď y("1","2") = y("2","1"), nebo y("1","2") = -y("2","1") - vlnová funkce soustavy se může změnit jen o znaménko. Existují tedy dvě možnosti: 1.Vlnová funkce je buď symetrická a při libovolné permutaci částic se nemění; 2.Nebo, vlnová funkce systému je antisymetrická - při transpozici každé dvojice částic mění znaménko. Která z těchto možností se realizuje, závisí na druhu částic - souvisí to s jejich spinem. Níže si podle tohoto kritéria částice rozdělíme na bosony se symetrickou vlnovou funkcí (celočíselný spin) a fermiony s antisymetrickou vlnovou funkcí (poločíselný spin). Rozborem vlnových funkcí soustavy stejných částic lze ukázat, že v souboru identických fermionů se v tomtéž stavu nemohou nacházet dvě částice (nebo více částic) - platí tzv. Pauliho vylučovací princip.

Fyzikální parametry částic; kvantová čísla
Vlastnosti elementárních částic se charakterizují vhodnými fyzikálními parametry, z nichž některé jsou známé i z klasické fyziky, jiné jsou čistě kvantové a nemají klasickou analogii. Těm parametrům elementárních částic, které jsou většinou kvantovány, tj. nabývají diskrétních hodnot, se říká kvantová čísla.
¨ Klidová hmotnost, doba života
Jsou to základní nekvantované charakteristiky částic. Klidová hmotnost se vyjadřuje jen zřídka v gramech, ale nejčastěji v energetických jednotkách elektronvoltech eV, keV, MeV *)- v souvislosti s Einsteinovým vztahem E = m.c
2 ekvivalence hmotnosti a energie. Někdy se udává i v násobcích hmotnosti elektronu. Doba života, resp. poločas rozpadu částic se vyjadřuje v sekundách a jejich dekadických zlomcích (10-xxsec.); u stabilních částic se považuje za Ą.
*) Přesněji řečeno, energetické vyjádření hmotnosti je v MeV/c2, avšak c2 se často vynechává.
¨ Velikost, rozměry a tvar elementárních částic ? - problematické !
V běžném životě i ve fyzice makroskopických jevů má velký význam prostorová velikost těles, jejich tvar a jednotlivé rozměry. V mikrosvětě je toto však problematické. U částic mikrosvěta totiž v důsledku vlnové povahy a kvantových relací neučitosti pojem prostorové "velikosti" ztrácí význam - nelze jej definovat a změřit. Tyto částice nejsou nějaká drobná "materiální tělíska" s pevným povrchem, jak je známe z našich běžných zkušeností z makrosvěta, ale spíše prostorově rozprostřené "zhuštěniny polí" vlnové povahy. Nemají žádné určité hranice. Lze u nich definovat pouze jakousi "efektivní velikost" částice při interakcích - pomocí dosahu působících sil a tzv. účinného průřezu
(viz níže část "Interakce elementárních částic", pasáž "Účinný průřez interakcí částic"). Z rozptylových experimentů při ostřelování částic - při zjišťování jak "blízko k sobě" částice pronikly. Taková "efektivní velikost" však pro danou částici může být pokaždé jiná při různých druzích interakcí. Tyto potíže s velikostí částic se obcházejí fyzikální dohodou, že částice mikrosvěta se v zásadě budou považovat za bodové s nulovou velikostí, přičemž při interakcích se uvažují účinné průžezy...
Fyzikální snahy o určení velikosti elementárních částic 
V počátcích zkoumání mikrosvěta se atomoví a jaderní fyzikové usilovně snažili stanovit velikost ("poloměr") nově objevených částic - elektronu a protonu.
U elektronu s hmotností me a elementárním nábojem e se při analýze z různých hledisek dospělo ke třem velmi odlišným hodnotám:
-  Klasický (nekvantový) neboli Thomsonův poloměr elektronu vychází z modelu, že elektron je koule, na jejímž povrchu je rovnoměrně rozložen elektrický náboj o hodnotě e. Za poloměr elektronu re se bere takový poloměr koule, aby elektrostatická potenciální energie tohoto náboje odpovídala klidové hmotnosti elektronu me podle relativistického vztahu ekvivalence hmoty a energie E = mec2. Vychází: re = e2/4peomec2 = 2,818.10-13cm. Je to takový poloměr, aby celá klidová hmotnost elektronu me měla elektrický původ (byla tvořena elektostatickou potenciální energií).
-  Bohrův poloměr elektronu vychází ze skutečnosti, že naprostá většina elektronů je vázána v atomech, takže velikost elektronu by by bylo přirozené odvodit z rozměrů atomu. Podle Bohrova kvantového modelu (§1.1, část "Bohrův model atomu") má nejnižší (základní, neexcitovaná) orbita elektronu v atomu vodíku poloměr r1 = 4peoh/mee2 = 0,529.10-8cm. Tato hodnota se zde považuje za poloměr elektronu re.
-  Comptonova vlnová délka elektronu je nejmenší vzdálenost, na kterou lze podle kvantových relací neurčitosti omezit ("stlačit") elektron: lc ~ h/mec » 10-9cm. Pokud se elektron pokusíme stlačit do menší velikosti, pak podle principu neurčitosti se jeho hybnost stane natolik velkou, že jeho kinetická energie převýší klidovou energii elektronu mec2. V takovém případě bude dostačující energie na vytvoření nového elektron-pozitronového páru. Comptonova délka je tedy nejmenší vzdálenost, na kterou k sobě dva elektrony mohou proniknout, aniž dojde ke vzniku nových částic...
  Z nynějšího pohledu mají tyto hodnoty již jen modelový a historický význam a za "skutečné" rozměry elektronu se nepovažují. Pro elektrony se nakonec žádná věrohodná hodnota "velikosti" nepodařila určit, čím vyšší kinetická energie, tím hlouběji se při interakci vzájemně přiblížují - jako by byly bodové s nulovou velikostí..?.. Podobné se to předpokládá u ostatních leptonů *). Z hlediska korpuskulárně-vlnového dualismu by efektivní velikost elektronu, jeho "vlnová délka", závisela na jeho rychlosti (§1.1, pasáž "Částicově-vlnový dualismus").
*) U neutrin, které vykazují pouze slabou interakci, se efektivní "velikost" předpokládá podstatně nižší než u elektronů, cca 10-16cm. Žádná přímá měření zde nejsou uskutečnitelná.
  U protonů a neutronů byla jejich efektivní "velikost" pro silné interakce stanovena na cca 1,6.10-13cm, podle změřeného dosahu těchto jaderných sil (viz §1.1, pasáž "Silná jaderná interakce"), jakožto "zbytkového" projevu silné interakce mezi kvarky uvnitř protonů a neutronů. Podobně pro ostatní hadrony (piony, kaony, hyperony). Pro elektromagnetickou interakci se "velikost" protonu měří pomocí rozptylu urychlených elektronů. Další metodou je vodíková spektrometrie: přesné měření energetických hladin (rozdílu v energiích mezi 2S1/2 a 2S1/2 orbitaly - hyperjemná struktura způsobená Lambovým posunem v důsledku kvantových fluktuací virtuálních elektron-pozitronových párů v elektrickém poli protonu); touto metodou se dospělo k hodnotě 0,88.10-13cm. Tato měření byla modifikována v novém experimentu, kde atomy vodíku byly vystaveny svazku nízkoenergetických mionů, přičemž některé miony se zachytily a nahradily ve vodíkovém atomu elektrony. Takový mion díky své vyšší hmotnosti (je cca 200-krát těžší než elektron) obíhá podstatně blíže protonu, takže rozdíly v energetických hladinách jsou "citlivější" na strukturu protonu. Zde se dospělo k poněkud nižší hodnotě poloměru protonu 0,84.10-13cm. Protony, jakož i ostatní hadrony, nejsou "elementární" částice, ale jsou složeny z kvarků, takže k jejich struktuře a "velikosti" má co říci tzv. kvantová chromodynamika (viz níže "Uvězněné kvarky"), na fundamentální úrovni pak unitární teorie pole ("Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." v monografii "Gravitace, řerné díry a fyzika prostoročasu").
  U fotonů, jakožto kvant elektromagnetického vlnění, je jejich efektivní "velikost" odvislá od
vlnové délky záření. Fotony záření gama mají efektivní rozměry jen pikometry, fotony viditelného světla stovky nanometrů, u radiovln bychom si mohli představit i mnohametrové rozměry "fotonů" - zde se však fotony vůbec nedají prokázat...
¨ Elektrický náboj
Mimořádně důležitým parametrem částice je její elektrický náboj, který je kvantován a proto se, místo v coulombech, vyjadřuje v násobcích velikosti elementárního náboje elektronu |e| s uvedením znaménka *) - elektron má pak náboj -1, proton +1, hyperon
W náboj -2, neutron a další nenabité částice samozřejmě 0. Antičástice k nabitým částicím mají náboje opačného znaménka (a stejné absolutní velikosti). Ve všech známých interakcích je striktně splněn zákon zachování elektrického náboje: součet nábojů částic před interakcí je stejný jako součet nábojů částic vylétajících po interakci.
*) Níže se setkáme i s nábojem 1/3e či 2/3e u kvarků.
¨ Spin, magnetický moment
Další důležitou kvantovou charakteristikou částic je jejich spin neboli spinové číslo s, vyjadřující vlastní moment hybnosti částice v násobcích Planckovy konstanty h. Kromě nulového spinu (vyskytujícího se u mezonů
p a K) je nejmenším možným spinem hodnota s=1/2 (takový spin mají elektrony, protony, neutrony, neutrina, miony). Spin s=1 mají fotony, s=3/2 těžké hyperony W, spin s=2 gravitony. Se spinem úzce souvisí magnetický moment částice, udávaný v násobcích elementárního Bohrova magnetonu e.h/4pme, popř. jaderného magnetonu e.h/4pmp (podrobněji je diskutováno v §1.1, pasáž "Kvantový moment hybnosti, spin, magnetický moment"). Spinové číslo částic dále určuje kvantově-mechanické statistické chování v souborech částic - viz níže "Bosony" a "Fermiony".
Pozn.: Spin - rotace ?
Spin částic se podle klasické mechaniky obvykle interpetuje jako jejich rotační moment hybnosti. Tato vlastnost elementárních částic však má specificky kvantovou povahu a nelze ji vysvětlit pomocí klasických mechanických představ (spin nelze kvantitativně vysvětlit např. rotací částice kolem vlastní osy!).
¨ Parita
je kvantové číslo, charakterizující chování kvantově-mechanického systému - jádra či elementární částice - vzhledem k prostorovému zrcadlovému odrazu, tj. transformaci souřadnic x
®-x, y®-y, z®-z, t®t. Pokud se vlnová funkce popisující stav částice nezmění, je parita kladná: P=1, či "+". Pokud při této transformaci vlnová funkce systému změní znaménko, je parita záporná: P= -1, neboli "-". Dá se ukázat, že parita systému s orbitálním momentem hybnosti l je (-1)l. Analýza interakcí elementárních částic ukazuje, že parita protonu a neutronu je kladná, zatímco parita fotonů a mesonů p+,-,o je záporná. Parita se někdy uvádí jako index vpravo nahoře u kvantového čísla momentu hybnosti soustavy, třebas jádra, JP: buď J+ nebo J-. U elementárních částic pak jako index u spinového čísla: sP - např. 0-, (1/2)+ a pod.
  Parita P celkově není příliš důležitým kvantovým číslem. Svůj teoretický význam má však parita v souvislosti s vlastnostmi symetrie a zákony zachování při interakcích částic - viz níže pasáž "CPT symetrie interakcí" v části "Čtyři typy interakcí". Parita se zachovává při silných a elektromagnetických interakcích, avšak při slabých interakcích se nezachovává (diskusi a experimentální ověření viz níže "CPT symetrie interakcí"; z nezachování parity vychází hypotéza tzv. zrcadlové hmoty, diskutovaná níže v části "Hypotetické a modelové částice", pasáž "Stínová zrcadlová hmota - Katoptrony?").
¨ Leptonové a baryonové číslo
Za účelem třídění elementárních částic se částicím přiřazuje leptonové číslo L, které pro leptony je L =
±1 (podle toho, zda se jedná o částici nebo antičástici), pro ostatní částice L=0, a baryonové číslo B, které pro baryony je B = ±1 (opět "+" pro částice, "-" pro antičástice) a pro jiné částice než baryony je B=0. Leptonové a baryonové číslo se zachovává prakticky při všech druzích interakcí *) - součet leptonů a baryonů (s respektováním znamének) před interakcí a po interakci je stejný.
*) Jediná výjimka se vyskytuje u gravitační interakce s účastí černých děr: při pohlcení částic pod horizont černé díry se ztrácejí všechny jejich individuální charakteristiky kromě hmotnosti, elektrického náboje a orbitálního momentu hybnosti ("černá díra nemá vlasy"); částice jako by se "rozpustila" v sumárním gravitačním poli černé díry - viz §4.5 "Teorém "černá díra nemá vlasy"" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Leptonové a baryonové číslo se nezachovává ani při kvantové evaporaci černé díry - §4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr" v téže monografii.
¨ Další kvantová čísla izospin, podivnost a hypernáboj budou zavedena níže v souvislosti s mezony K, hyperony a s unitárními symetriemi elementárních částic - viz pasáž "Unitární symetrie a multiplety částic".

Intermediální a virtuální částice
Podle představ kvantové teorie pole probíhá vzájemné silové působení dvou částic tak, že si tyto částice vzájemně vyměňují (vysílají a přijímají) tzv. intermediální částice, jež jsou kvanty příslušného pole. Každá částice podléhající interakci je obklopena "oblakem" příslušných intermediálních částic, které mimo akt interakce zůstávají virtuální.
  K vysvětlení mechanismů interakcí a vzájemných přeměn elementárních částic se používají nejen pozorované "reálné" částice vstupující do interakcí nebo vyzařované jako důsledek interakce, ale často též určité "pomocné" částice, zprostředkovávající určité etapy interakce, které přímo pozorovány nejsou. Takovéto virtuální částice *) "existují" pouze po velmi krátkou dobu, která je kratší než čas nutný pro změření jejich energie podle relací neurčitosti. V úloze virtuálních částic mohou sloužit běžně známé a prokázané částice, např. fotony, často se však používají i částice zatím neznámé a neprokázané - modelové a hypotetické částice (jsou zmíněny níže). Virtuální částice nemohou být přímo detekovány, ale mohou se projevovat v reálných měřitelných jevech, neboť interagují s reálnými částicemi a poli; takové skryté interakce mohou vyvolat např. spontánní emisi skutečných částic či anomálie v závislosti účinných průřezů interakcí na energii. Interakce pomocí intermediálních částic se znázorňují pomocí tzv.
Feynmanových diagramů.
*) Virtuální = myšlený, zdánlivý, neskutečný, potenciální, fyzicky nepřítomný. Původně pochází z lat. virtus = muž, mužnost, ctnost, prošlo však etymologickou proměnou.

Třídění elementárních částic
Elementární částice se třídí a rozdělují do skupin podle svých význačných vlastností, vyjádřených fyzikálními parametry a kvantovými čísly. Nejzákladnější charakteristikou každého předmětu *), a tedy i elementární částice, je její hmotnost - přesněji řečeno hmotnost klidová m
o.
Podle speciální teorie relativity totiž aktuální hmotnost m (setrvačná hmotnost, charakterizující podle 2.Newtonova zákona F = m.a odpor tělesa vůči zrychlování) závisí na rychlosti pohybu tělesa v: m = mo/Ö(1-v2/c2), kde mo je klidová hmotnost, stanovená v inerciální vztažné soustavě, v níž je těleso v klidu. Výsledná hmotnost m je tím větší, čím rychleji se částice pohybuje; pro v®c roste nade všechny meze. Proto žádná částice, jejíž klidová hmotnost je nenulová, se nemůže pohybovat rychlostí světla. Celková energie částice (součet klidové a kinetické energie) je podle speciální teorie relativity rovna E = (mo/Ö(1-v2/c2)).c2 = m.c2 - Einsteinova rovnice vyjadřující rovnocennost hmotnosti a energie.
*) Další základní charakteristika objektů v makrosvětě - prostorová velikost (rozměry, objem), nemá u elementárních částic žádný význam! V důsledku korpuskulárně-vlnového dualismu a principu neurčitosti nelze částicím v mikrosvětě přiřadit žádnou určitou velikost
(podrobněji bylo diskutováno výše v pasáži "Velikost, rozměry a tvar elementárních částic ? - problematické !"). V modelových představách však můžeme uvažovat o jakýchsi "efektivních" velikostech částic, daných vlastnostmi interakce těchto částic (např. proton má z hlediska silné interakce rozměr »1,6.10-13cm). Z těchto představ vychází i tzv. účinný průřez interakce částic (viz níže).
Podle klidové hmotnosti rozdělujeme částice na čtyři skupiny:

Podle způsobu interakce mezi elementárními částicemi se vyčleňuje zvláštní skupina:

Spektrum klidových hmotností částic - je omezené či nekonečné ?
Klidové hmotnosti různých druhů částic jsou velmi rozdílné, jejich hodnoty tvoří široké "spektrum". Od fotonů s nulovou či neutrin s nepatrnou klidovou hmotností, přes lehké elektrony (cca 0,5MeV), mezony (kolem 140-500MeV), až po těžké baryony s klidovými hmotnostmi 1-1,7GeV. Nejtěžšími známými částicemi jsou bosony W
+,-,Zo slabých interakcí o hmotnostech kolem 80-90GeV a Higgsovy bosony s klidovou hmotností cca 120GeV. Vzniká otázka, zda zde spektrum hmotností již končí, nebo existují ještě těžší částice? V 60. a 70. letech se diskutovala tzv. Hagedornova hypotéza o existenci nekonečného množství částic o stále vyšších hmotnostech, které by se mohly postupně objevovat, jak by se konstruovaly stále výkonnější urychlovače. Současná částicová fyzika je k tomu spíš skeptická, mohlo by se příp. jednat jen o excitované stavy kvark-gluonových kombinací..?.. - rozhodnout mohou jen budoucí experimenty.

Podle doby života můžeme elementární částice dělit na :

Podle spinu, a v důsledku toho i podle kvantově-mechanického statistického chování v souborech částic, se elementární částice dělí na dvě velké skupiny:

Fermiony v úloze bosonů; Supravodivost
Za určitých okolností se i soubor fermionů, např. elektronů, může efektivně chovat jako bosony. Snižujeme-li teplotu vodivé látky, obsahující volné elektrony ve formě "elektronového plynu", dochází při teplotách kolem cca 4°K ke spojování elektronů do dvojic - tzv. Cooperových párů, v nichž se poločíselné spiny elektronů opačného směru sčítají na spiny nulové (singletní spárování), tj. celočíselné. Vazbu mezi elektrony Cooperova páru zprostředkuje jejich interakce s kmitající krystalovou mřížkou. Takové dvojice se pak již chovají jako bosony, které při nízké teplotě mají tendenci zaujmout nejnižší energetický stav (Pauliho vylučovací princip jim to nezakazuje, protože pro bosony neplatí). Vzniká tzv. bosonový kondenzát v základním energetickém stavu, v němž se spárované elektrony pohybují krystalovou mřížkou zcela volně bez odporu - vzniká elektrická supravodivost.
Supravodivost 
  Supravodivost je tedy kvantově-elektrický jev, při němž materiál neklade průchodu elektrického proudu žádný ohmický odpor a v materiálu se neuvolňuje žádné teplo. Objevil jej v r.1911 holandský fyzik H.K.Onnes, který na přístroji vlastní konstrukce zkapalnil hélium a v dalších experimentech měřil elektrický odpor kovů při nízkých teplotách. S klesající teplotou měrný odpor kovů obecně klesá
(s pomaleji kmitajícími atomy krystalové mřížky se elektrony méně často srážejí, snadněji procházejí). Extrapolací tohoto mírného téměř lineárního poklesu odporu s teplotou k absolutní nule lze očekávat určitou malou zbytkovou hodnotu odporu *).
*) Z klasického pohledu by se dala očekávat i opačná situace: elektrony při zastavení svých tepelných pohybů by se mohly spojit s ionty krystalové mřížky, "zamrznout" a přestat se pohybovat - z vodiče by se stal izolátor, který elektrický proud nepropouští.
  Když Onnes prováděl měření teplotní závislosti odporu na vzorku vysoce čisté rtuti, s překvapením zjistil náhlý spád odporu rtuti na nulu
(neměřiteně malou hodnotu) při teplotách kolem 4,2 °K. Supravodivost byla pak zjištěna u olova, cínu a řady dalších materiálů a slitin. Mikroskopickou teorii nízkoteplotní supravodivosti vypracovali v r.1957 J.Bardeen, L.Cooper a J.R.Schriffer (BCS teorie) - podle ní vazba mezi elektrony a kmity krystalové mřížky (fonony) může efektivně vést k přitažlivé interakci mezi dvojicemi elektronů: elektron při svém průchodu krystalovou mřížkou vytváří kladnou "díru", kterou je přitahován druhý elektron. Touto dynamickou vazbou se vytvářejí efektivně vázané Cooperovy páry dvou elektronů, které vytvářejí bosonový kondenzát s vysokým stupněm korelovaného uspořádání elektronů. Teplota, při které látka přechází z normálního do supravodivého stavu, se nazývá kritická teplota. Intenzívní výzkum supravodivosti objevil řadu materiálů s touto vlastností, které lze rozdělit do dvou skupin:
- Supravodiče I.typu jsou některé kovy, dosahující supravodivosti za nízkých teplot (kritická teplota nižší než 30°K) a ztrácející supravodivé vlastnosti v silnějších magnetických polích (Meissnerův-Ochsenfeldův jev). Tuto supravodivost vysvětluje BCS teorie.
- Supravodiče II.typu jsou některé slitiny kovů (především mědi) a nekovových příměsí (oxidů keramické povahy), které dosahují supravodivosti i při vyšších kritických teplotách a zachovávají si tuto vlastnost i v silných magnetických polích. Zvláště zajímavé materiály tohoto druhu jsou kompozitní sloučeniny ytria, barya, mědi a kyslíku Y1Ba2Cu3O7, nebo analogicky lanthanu. Zde nastává supravodivost při kritické teplotě 90-100 °K - vysokoteplotní supravodivost, což umožňuje použít ke chlazení kapalný dusík. Úplná mikroskopická teorie vysokoteplotní supravodivosti dosud nebyla vytvořena, avšak dosavadní výzkumy ukazují na mechanismus vázání elektronů do Cooperových párů pomocí elektron-spinových interakcí elektronů s excitacemi spinů (anti)feromagnetických struktur v krystalové mřížce, která má "šupinkovou" strukturu.

Vlevo: Supravodivý elektromagnet je tvořen cívkou, navinutou ze supravodivého materiálu, umístěnou v kryostatu s kapalným héliem (zkratující bifilární vedení slouží k zapínání a vypínání proudu v silných perzistentních elektromagnetech - viz "Elektromagnety v urychlovačích").
Vpravo: Závislost ohmického odporu supravodivého materiálu Nb-Ti na teplotě (pro 1m drátu o0,3mm).

Supravodivost již nyní nachází významné uplatnění v řadě oblastí vědy, techniky, medicíny. Jsou to především supravodivé elektromagnety: cívka svinutá do velkého počtu závitů z vhodného supravodivého materiálu se umístí do Dewarovy nádoby s chladicím médiem (zatím převážně kapalné hélium), vzbudí se v ní silný proud (stovky i tisíce ampér) a oba její konce se spojí. Proud potom protéká neomezenou dobu bez spotřeby elektrické energie a budí silné magnetické pole - jednotky až desítky Tesla - viz níže "Elektromagnety v urychlovačích", pasáž "Supravodivé elektromagnety". Podmínkou funkce je samozřejmě trvalé chlazení na teplotu nižší než kritickou *). Takové supravodivé elektromagnety se s výhodou používají v řadě oblastí - nukleární magnetická rezonance, kruhové urychlovače, termonukleární tokamaky.
*) Toto trvalé chlazení supravodivé cívky je potřeba pečlivě hlídat! Pokud by vlivem odpařování hladina chladicího média poklesla natolik, že část vinutí by se oteplila nad kritickou teplotu, supravodivost by náhle zanikla. V tomto místě vinutí by vznikl ohmický odpor, proud vinutím by rychle klesal a magnetické pole zanikalo. To by mělo za následek elektromagnetickou indukci velké elektromotorické síly ve vinutí. Značná energie uložená v magnetickém poli by se rychle přeměnila na indukovaný proud vinutím, které by se ohmickým odporem silně zahřálo, zbytek chladicího média by se uvedl do bouřlivého varu a vinutí by se mohlo spálit!
   Teplotní přechod z normálního do supravodivého stavu v okolí kritické teploty T
c je velmi prudký - na křivce závislosti odporu na teplotě je v tomto místě téměř kolmá přechodová hrana supravodivosti. Tohoto jevu se využívá ve velmi citlivých bolometrech pracujících na hraně supravodivosti TES (Transition Edge Sensor) - §2.5, pasáž "Mikrokalorimetrické detektory".
   Pokud by se podařilo uskutečnit opravdu vysokoteplotní supravodivost - vyvinout materiály, které by byly supravodivé i za pokojové teploty, vedlo by to patrně k revoluci v elektronice slabo- i silnoproudé. Supravodivými dráty by bylo možné vést elektrickou energii beze ztrát, bez nutnosti transformace na vysoké napětí. Do supravodivých elektromagnetů by bylo možno ukládat-akumulovat elektrickou energii. V průmyslových aplikacích se pracuje na supravodivé levitaci, při níž interakce indukovaných vířivých proudů vede ke vzniku síly, díky níž se magnet může vznášet nad supravodičem, nebo "viset" v magnetickém poli. Uvažuje se především o magnetickém závěsu místo ložisek a o využití v magneticky levitujících rychlovlacích.
Supratekutost 
  Podobně atomy, složené z fermionů, se mohou efektivně chovat jako bosony, pokud jejich celkový spin je celočíselný (resp. nulový), popř. když dochází k singletnímu či tripletnímu spárování atomů s poločíselným spinem na výsledný spin celočíselný (0 nebo 1). I zde pak při nízkých teplotách může vzniknout bosonový kondenzát, jehož částice (či kvazičástice) se mohou v prostředí pohybovat zcela volně bez třecího odporu. Na tomto principu je založena supratekutost některých zkapalněných plynů (především hélia) za nízkých teplot. Za zajímavost stojí, že hélium nemá pevnou fázi, zůstává kapalné až prakticky do absolutní nuly. Pod teplotou 2,17°K se stává supratekutým - teče bez vnitřního a povrchového tření a má velmi vysokou tepelnou vodivost.

V souvislosti s určitými "podivnými" nesymetriemi při produkci a rozpadu některých částic (viz níže) se rozlišuje zvláštní skupina:

Antičástice, antihmota, "antisvěty"
Ve světě elementárních částic obecně ke každé částici existuje její "opačný" či "sdružený" partner - antičástice, která má určité fyzikální charakteristiky shodné s danou elementární částicí, ale některé jiné fyzikální charakteristiky mají opačné znaménko či směr. Antičástice má s částicí stejnou hmotnost, spinové číslo, dobu života a izospin, avšak její náboj a magnetický moment jsou opačné (stejné co do velikosti, ale opačného znaménka); opačné znaménko se připisuje i leptonovmu číslu, baryonovému číslu a projekci izospinu. Jedná-li se o neutrální částice bez elektromagnetických vlastností, mohou být sdruženy buď samy k sobě (foton,
po, graviton), takže vlastně nemají antičástice, nebo mohou mít částice a antičástice od sebe odlišné (např. neutron, neutrina). V případě fermionů vznikají částice a antičástice v párech a rovněž v párech zanikají. V naší přírodě (složené z hmoty) se antihmota, resp. antičástice, vyskytují tam, kde dochází k interakcím částic při vysokých energiích - vyšších než dvojnásobek klidové hmotnosti elektronu či pozitronu 2x511=1,022MeV; tehdy vznikají pozitrony. Těžší antičástice (antiprotony, antineutrony) pak mohou vznikat až při značně vysokých energiích, 3GeV a vyšších. To je doména urychlovačů a kosmického záření.
Poznámka 1 : Na řadě míst našeho pojednání o jaderné a radiační fyzice používáme termín "antisvět" - v alegorickém významu. Antičástice vznikající při interakcích jsou samozřejmě součástí "našeho" světa. O "antisvětech" se někdy uvažuje v astronomii jako o těch (hypotetických) útvarech nebo částech vesmíru, které jsou složeny z antihmoty (srov. též níže pasáž "Antiatomy"). Složitou otázkou je, proč pozorujeme antičástic nesrovnatelně méně, než částic, které jsou pro nás "normální a běžné"? Pokouší se na to odpovědět kosmologické teorie v koprodukci s částicovou fyzikou - viz níže odkaz v poznámce k pasáži "Antiatomy, Antisvěty".
Poznámka
2 : V počátcích vývoje kvantové fyziky se antičástice (jako je pozitron) považovaly za částice se "zápornou energií", nebo částice pohybující se "zpět v čase" (formální transformace souřadnic v Diracově rovnici to umožňují). Nyní jsou tyto představy již opuštěné a částice i antičástice mají "rovnoprávné" místo ve standardním modelu, v aplikacích, jakož i v unitarizačních schématech.
Diracovské a Majoranovské částice 
Podle vztahu ke svým antičásticím se elementární částice někdy rozdělují na dvě skupiny:
¨ Diracovské částice
mají odlišné antičástice. Patří sem především všechny elektricky nabité částice, ale i některé neutrální částice jako je neutron nebo neutrální K-mezon.
¨ Majoranovské částice
mají shodné částice a antičástice. Vedle fotonu sem patří neutrální
p-mezony (pion po); některé hypotézy uvažují i o neutrinech, není to zatím rozhodnuto.
  Některé význačné antičástice mají svůj vlastní název či označení - antičástice k elektronu e- se nazývá pozitron e+, nábojově sdružené antičástice se označují opačnými znaménky nábojů, např. miony m-, m+, analogicky piony p-, p+ a další částice. Řada antičástic se však označuje prostě předponou "anti" a vlnovkou "~" nad symbolem částice *)- např. antiproton p´, antineutron n´.
*) Ve fontech dostupných formátu "html" však bohužel znaky s vlnovkou nahoře nejsou k dispozici, takže v našich textech označujeme antičástice čárkou ( ´ ) vpravo nahoře.
Anihilace antičástic s částicemi 
Při interakci antičástic se svými odpovídajícími "protějšky", částicemi, mohou tyto dvojice navzájem zaniknout *) - anihilovat - za vzniku jiných (lehčích) částic či antičástic. Často to bývají fotony. Jsou přitom splněny zákony zachování energie a kvantových čísel (opačná kvantová čísla se "vynulují"). Dochází k úplné přeměně klidové hmotnosti (+kinetické energie) na energie jiných částic a polí, přičemž původní částice zanikají. Konkrétní procesy anihilace budou popsány níže pro jednotlivé druhy částic.
*) Anihilace částic neznamená jejich zničení, ani přeměnu hmoty v "čistou energii" ! 
O procesu anihilace antičástic s částicemi se dosud tradují některé téměř mystické představy. Pocházejí z doby, kdy se tyto procesy teprve objevovaly a připadaly fyzikům natolik neobvyklé, že jim přisuzovali zvláštní filosofický význam. Nyní víme dvě vzájemně související skutečnosti :
× Při anihilaci částic, navzdory názvu (lat. nihil=nic; anihilace=zničení, zmizení), nedochází k jejich zničení, zániku či zmizení z tohoto světa "beze stopy", ale k jejich přeměně na jiné částice mikrosvěta, při splnění všech obvyklých zákonů zachování (energie, hybnosti, náboje a dalších kvantových charakteristik). Nic se přitom neztratilo ani nezískalo.
× Anihilace není přeměna hmoty na energii, či látky na "čistou energii", jak se někdy uvádí. Při anihilaci (jako ostatně při každém známém přírodním procesu) je splněn zákon zachování energie - ovšem celkové, relativisticky chápané energie, včetně klidové energie částic. Jde tedy jen o přeměnu jedné formy hmoty na jinou formu.
  Ostatně, přeměna "částic hmoty" na pole (s kvanty nulové klidové hmotnosti) nastává u obvyklých částic jen při anihilaci elektronu s pozitronem. Antiprotony či antineutrony "anihilují" za vzniku jiných masívních částic (pionů - viz níže), takže o "přeměně hmoty v čistou energii" nelze vůbec mluvit..!..
"Antiatomy", "antisvěty" 
Antičástice mají vzhledem k sobě úplně stejné vlastnosti svých interakcí jako částice, takže kolem antiprotonu může obíhat pozitron a vytvořit tak atom "antivodíku". Podobně mohou antiprotony a antineutrony vytvářet atomová "antijádra", kolem nichž mohou obíhat pozitrony ve slupkách o stejných energiích a podle stejných výběrových pravidel jak to známe z naší atomové fyziky. Takovéto "antiatomy" pak budou mít úplně stejné chemické i spektroskopické vlastnosti jako atomy naší hmoty - budou vytvářet prvky či sloučeniny antihmoty se stejnými vlastnostmi jaké známe u naší hmoty.
  Vzniká přirozeně otázka, zda se někde ve vesmíru nachází tato antihmota? Aby mohla dlouhodobě existovat, musí se antihmota nacházet odděleně od hmoty, jinak by docházelo k masívní anihilaci. Otázka tedy zní: jsou někde "antisvěty"? Pomocí běžných spektrometrických metod to na dálku nepoznáme - světlo z "antihvězd" či "antigalaxií" by vzhledem k identickým vlastnostem "antiatomů" mělo úplně stejná spektra jaká známe u hvězd a galaxií. Jsou však dvě přesvědčivé indicie, podle nichž se v nám dostupné části vesmíru žádná volná antihmota nevyskytuje:
1. V primárním kosmickém záření ze vzdáleného vesmíru se vyskytují pouze protony, nikoli antiprotony
(nepatrný podíl cca 10-4 antiprotonů pozorovaný v kosmickém záření jsou antiprotony sekundární; vznikají při interakcích protonů vysokých energií s mezihvězdným prostředím - s částicemi i fotony reliktního záření; podobně pozitrony). V kosmickém záření nebyla dosud zaznamenána žádná složitější "antijádra" (složená z antiprotonů a antineutronů) hélia či těžších prvků *). Taková "antijádra" by přitom musela být ve velkém množství emitována do vesmíru při každém výbuchu případné "antihvězdy" jako supernovy, v (anti)hvězdném větru, jakož i ve výtryscích z akrečních disků antihmoty kolem černých děr. Kdyby kosmické záření obsahovalo velké množství antiprotonů či složitějších "antijader", mohli bychom je považovat za jakési "vyslance" z antihvězd a antigalaxií. Ve skutečnosti jich však pozorujeme jen velmi málo, právě tolik, kolik jich průběžně vzniká interakcemi běžných vysokoenergetických protonů kosmického záření s obyčejnou hmotou.
*) Případná detekce složitějších "antijader" by byla pádným důkazem existence velkého množství antihmoty - "antihvězd", "antigalaxií" - někde ve vesmíru. Taková složitější "antijádra" totiž nemohou vznikat sekundárně žádnými vysokoenergetickými interakcemi částic, ale mohly by mít svůj původ jedině v primárním vzniku ve velkém množství antihmoty či v termonukleární syntéze antičástic v "antihvězdách". Jsou proto plánovány družicové "detektory antihmoty", jako je AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), které by byly schopny zaznamenat "antihélium" (anti-alfa částice).
2. Pokud by některé hvězdy, galaxie nebo oblaka plynů byly z antihmoty, na rozhraní hmoty a antihmoty by docházelo k intenzívní anihilaci za vzniku tvrdého záření g o energii 511keV. Žádná měření zatím takové anihilační záření nezaznamenala.
  Ve vesmíru se tedy buď žádné znatelné množství antihmoty nevyskytuje, nebo se "antisvěty" nacházejí v tak velkých vzdálenostech, že žádné jejich projevy nemůžeme v našem místě registrovat.

Proč je náš svět z hmoty a ne z antihmoty? (nebo proč není jenom ze záření?) 
Zajímavá je otázka, proč dnes pozorujeme ve vesmíru téměř výhradně "obyčejnou" hmotu a téměř žádnou antihmotu? Či dokonce proč je zde vůbec nějaká hmota a ne jenom záření? Pro odpověď na tyto otázky bychom se museli vydat až k samotným počátkům vesmíru. Podle současných fyzikálníchch představ by na počátku vesmíru mělo původně vzniknout stejné množství hmoty a antihmoty. Veškeré experimenty jaderné fyziky totiž ukazují, že při všech částicových interakcích dochází vždy ke sdružené produkci částic a antičástic, v poměru 1:1.
  Vlivem určitých specifických jevů - narušení symetrie interakcí v počátečních okamžicích evoluce vesmíru - množství hmoty nepatrně převážilo nad antihmotou, došlo k mírné baryonové asymetrii vesmíru. Víceméně náhodná kvantová fluktuace způsobila vítězství hmoty nad antihmotou v našem velmi raném vesmíru. V hypotetických jiných vesmírech tomu mohlo být opačně, kvantová fluktuace ve vhodný okamžik nastala na druhou stranu a takový vesmír by byl z antihmoty...
        
  Tento nepatrný přebytek způsobil, že pro další vývoj vesmíru tato hmota zůstala *), zatímco všechna ostatní hmota a antihmota vzájemně zanihilovala již během hadronové a leptonové éry a nakonec se přeměnila na záření (nyní pozorované jako reliktní záření). Kdyby nedošlo k baryonové asymetrii v počátcích vesmíru, veškeré částice by vzájemně zanihilovaly a vesmír by sestával pouze ze záření
(v takovém fádním vesmíru by nemohly vzniknout hvězdy, planety, život...). Otázky antihmoty a baryonové symetrie či asymetrie vesmíru jsou z astrofyzikálního hlediska diskutovány v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk.", pasáž "Baryonová asymetrie vesmíru" a §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
*) Terminologie hmota-antihmota je relativní. To, co zůstalo a z čeho je náš okolní svět, jsme prostě nazvali hmota - "obyčejná" hmota, zvaná někdy též koino-hmota (řec. koinos = obvyklý, obyčejný. )A hypotetická látka složená z opačných částic je pro nás antihmotou. V myšleném vesmíru, kde by baryonová asymetrie převládla na opačnou stranu, by tamní obyvatelé měli terminologii opačnou, pro ně by běžná hmota bylo to, co my nazýváme antihmotou...
Kombinované soustavy částice-antičástice 
Výsledkem interakcí antičástic s částicemi jsou procesy anihilace, avšak tato anihilace nemusí nastat okamžitě. Pokud mají částice a antičástice opačná znaménka elektrického náboje (+ a
-), mohou po dostatečném zpomalení těsně před anihilací vytvořit vázanou soustavu částice-antičástice. Nejznámější vázanou soustavou tohoto druhu je pozitronium - vázaná soustava elektronu a pozitronu, které podle modelové představy obíhají kolem společného těžiště za vyrovnání odstředivé síly oběhu a elektrické přitažlivé síly (viz níže "Interakce nejdůležitějších elementárních částic", pasáž "Pozitronium"). Podobně antiproton může být zachycen na oběžnou dráhu kolem atomového jádra a nahratit tak elektron - vzniká antiprotonový atom. Nejjednodušší antiprotonový atom je protonium, které vzniká jako vázaná soustava protonu a antiprotonu obíhajících kolem společného těžiště. Pozitronium i protonium je nestabilní, během krátké doby (závisející m.j. i na spinových orientacích) nakonec dojde k anihilaci antičástice s částicí.
Umělá výroba antihmoty 
Když se antihmota v dostupné části vesmíru nevyskytuje, bylo by možné si ji "vyrobit" uměle? V urychlovačích produkujeme velké množství pozitronů i antiprotonů a antineutronů, takže by se zdálo, že nic nestojí v cestě umělému "poskládání" těchto částic do "antiatomů". Ve skutečnosti však je umělé vytváření antihmoty neobyčejně obtížné!
  Částice produkované v urychlovačích se totiž pohybují vysokými rychlostmi - mají vysoké kinetické energie, o mnoho řádů přesahující vazbové energie atomů. Aby mohl vzniknout atom antivodíku, musejí být pozitrony a antiprotony z původních energií řádově MeV zpomaleny na dostatečně malou vzájemnou rychlost, aby antiproton mohl pozitron zachytit a udržet. To není nijak snadné, takže se teprve nedávno (r.1995) na urychlovači LEAR v laboratoři CERN podařilo vytvořit pouhých 9 atomů antivodíku.
  Antiprotony se zde nechaly prolétat xenonem, čímž se brzdily a při interakci zároveň vznikaly m.j. i páry elektronů a pozitronů. V uvedených několika případech pak byl pozitron následně zachycen prolétajícím antiprotonem za vzniku atomu antivodíku. Během řádově 10-11sec. pak při svém letu prostředím anihiloval s normální hmotou a záblesk anihilačního záření prokázal jeho kratičkou existenci. Při tak krátké době existence nelze měřit žádné vlastnosti antiatomů.
  Pro účinnější "výrobu antihmoty", resp. atomů antivodíku, byl nyní v CERN zkonstruován elektromagnetický antiprotonový zpomalovač - decelerátor. V elektromagnetickém poli
(vytvářeném vysokofrekvenčním rezonátorem) se antiprotony ve svazku z urychlovače zpomalí z původní energie cca 100MeV na jednotky MeV. Pak se vedou do chlazené magnetické pasti, kde se oblak antiprotonů zachytí v magnetickém poli a dále se v něm "ochlazuje" (zmenšuje se kinetická energie jejich pohybu). Pozitrony se jednoduše získávají z beta+-radioaktivity, nejčastěji radioisotopu 22Na. Po základním zpomalení v tenké fólii se vedou do magnetické pasti kde se dále zpomalují ("ochlazují" podobně jako antiprotony) a pak se pomalé antiprotony a pozitrony současně vtřikují do reakční komůrky s magnetickou pastí, kde již dochází k záchytu pozitronů antiprotony za vzniku atomů antivodíku. Při zpomalení a zachycení v magnetické pasti
mají obě částice dostatek času na své vzájemné navázání do atomu antivodíku. Touto metodou se v první fázi podařilo detekovat 80 antiatomů vodíku, avšak po dalším zdokonalení *) se daří produkovat dostatek antivodíku pro experimenty, např. pro porovnání elektromagnetických spekter atomů antivodíku a vodíku.
*) Zařízení ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) používá pozitronů ve formě pozitronia (....), excitovaného pomocí laserových paprsků. Vysoce excitované pozitronium může snadno předávat pozitron antiprotonu za vzniku excitovaného antivodíku. V zařízení ALPHA se daří produkovat desítky tisíc atomů antivodíku.
  Kromě produkce vlastních antiatomů je dalším velmi obtížným problémem jejich izolace od okolní hmoty, aby se zabránilo okamžité anihilaci s materiály reakční nádoby. K udržení nabitých částic se běžně používá magnetické pole (především v tokamacích - viz §1.3, část "Tokamak", či ve shora zmíněných magnetických pastích). Antomy antivodíku jsou však navenek elektricky neutrální. Mají ale magnetický moment, takže reagují na magnetické pole (i když slabě). Pomocí silných supravodivých elektromagnetů lze vytvořit "magnetickou past", která je schopna po určitou dobu antivodíkové atomy udržet v magnetickém poli uvnitř reakční nádoby. Magnetické pole je zde speciálně tvarované tak, že je nejsilnější na okrajích a směrem ke středu se snižuje. Atomy jsou vtahovány do "magnetické jámy" uprostřed, kde mohou zůstat určitou dobu uvězněné. Pokud je tato doba dostatečně dlouhá, antiatomy mají čas přejít do základního stavu, v němž lze měřit jejich fyzikální vlastnosti. Otevírá se tím cesta k přesnému testování předpokládané symetrie hmoty a antihmoty (některé nepatrné odlišnosti jsou diskutovány níže v pasáži "C P T symetrie interakcí"). Odhalení příp. drobných rozdílů by mohlo pomoci objasnit, proč je náš vesmír tvořen jen hmotou (srov. "Baryonová asymetrie vesmíru").
  Nejobtížnější je měření gravitačních vlastností antihmoty. Víme sice, že částice a antičástice mají stejnou (klidovou) hmotnost, zbývá však ověřit, zda antivodík "padá" v gravitaci úplně stejně jako vodík?
- jak je diskutováno níže v pasáži "Antihmota: gravituje nebo antigravituje?".
 
Experimentální měření atomů antivodíku 
Pro získání proudu pomalých neutrálních antivodíkových atomů, použitelných k přesnému měření jejich fyzikálních vlastností, se v CERN buduje projekt AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy). Vedle protonového urychlovače s terčíkem, jako zdroje antiprotonů, radionuklidového zdroje pozitronů, decelerátoru a magnetických pastí
(pokračování systému ALPHA) je tvořen silnou speciálně tvarvanou magnetickou pastí na antivodíky (byla zmíněna výše).
  Při gravitačním experimentu se odtud pomalý proud antivodíkových atomů vede do systému za sebou umístěných separačních štěrbin (mřížek), které vytvářejí rovnoběžné svazky antivodíků. Následně se na konci dráhy délky L tyto antivodíky anihilačně detekují křemíkovým polohově citlivým detektorem. Vyhodnocuje se, nakolik výškový pokles h antivodíků ve vzdálenosti L odpovídá zákonu vodorovného vrhu rychlostí v v tíhovém poli Země s gravitačním zrychlením g: h =
1/2.g.(L/v)2.
  Při spektrometrii antivodíku by se pomalý svazek antivodíků vedl do další magnetické pasti, kde by se prováděla excitace a měřilo by se záření vyzařované nebo pohlcované při přeskocích mezi jednotlivými energetickými hladinami. Energetické hladiny v atomu jsou závislé na setrvačné hmotnosti elektronu v atomu vodíku, či pozitronu v antivodíku. Pokud se setrvačná hmotnost částic a antičástic liší, mohl by se příp. rozdíl touto spektrometrií změřit.
  Avšak přes všechny úspěchy v těchto náročných experimentech je bohužel nutno přiznat, že na vytvoření většího množství antihmoty, ani složitějších antiatomů než vodíku, není zatím naděje v blízké budoucnosti...
Antihmota - možný zdroj energie? 
V populárně-naučné a sci-fi literatuře se často uvádí, že při anihilaci hmoty s antihmotou dochází ke 100-% přeměně hmoty na energii, v souladu s Einsteinovým vztahem E = m.c
2. Mohla by tedy ve vzdálené budoucnosti být antihmota nevyčerpatelným zdrojem energie, popř. sloužit k pohonu mezihvězdných lodí (fotonové rakety - viz níže) na rychlosti blízké rychlosti světla? Bohužel tomu tak není, resp. problém je mnohem složitější, vyskytují se překážky nejen technického, ale i principiálního fyzikálního charakteru.
  Při anihilaci elektronu s pozitronem se skutečně veškerá klidová hmotnost obou částic mění na elektromagnetické záření: e
+ + e- ® 2g. Není to však na světlo, ale na tvrdé záření gama, které by se zrcadlem fotonové rakety neodráželo, ale pohlcovalo. Při anihilaci protonů a neutronů s antiprotony a antineutrony však nevzniká elektromagnetické záření (aspoň ne přímo), nýbrž p-mezony, např. p'+p®2p++2p-+po ; ty se pak rozpadají na miony a neutrina, např.: p- ® m- + n'm , p+ ® m+ + nm . Následuje rozpad mionů, např. m- ® e- + n'e+ nm , m+ ® e+ + ne+ n'm a teprve potom by mohla nastávat anihilace elektronů s pozitrony e+ + e- ® 2g (všechny tyto interakce jsou podrobněji rozebírány níže). V hypotetickém "anihilačním reaktoru" budoucnosti by tedy muselo být dosaženo nejen účinné energetické využití tvrdého záření g, ale i uzavření protonového, pionového, mionového a elektronového (+ antičásticového) vysokoenergetického "plasmatu" tak, aby sekundární částice mohly spolu účinně anihilovat. Zatím není znám žádný fyzikální mechanismus, který by to umožňoval. A už vůbec není možné využít energii odnášenou neutriny....
  Energetickému využití anihilace hmoty s antihmotou brání i technické obtíže. Kdybychom např. chtěli spojit dvě makroskopická tělesa, jedno z hmoty a druhé z antihmoty, s cílem úplné anihilace, nebylo by to v praxi příliš úspěšné vzhledem ke vzniku tzv. Leidenfrostovy izolující bariéry *). Při dotyku povrchů obou těles vznikne mohutný tok energie (záření a částic), který ostatní hmotu těles od sebe odpudí, oddálí a izoluje tak, že k účinné objemové anihilaci nedojde; reakce je spíše plošná, než masívní objemová. Určitou možností by snad bylo srazit obě tělesa vysokou rychlostí, aby kinetická energie překonala tlak vzniklého záření. Nebo ještě lépe uskutečňovat anihilaci postupně v proudu částic hmoty a antihmoty (výše zmíněný "anihilační reaktor"). Nic z toho není v dohledné budoucnosti realizovatelné...
*) Podobný jev můžeme v běžném životě pozorovat, když kápneme vodu na rozžhavenou plotnu kamen. Kapičky vody se většinou nevypaří okamžitě (expozívně), ale chvíli "poskakují" na rozpálené plotně: při styku kapičky s plotnou vznikne pára, která vytváří plynný "polštář" izolující kapičku od plotny.
Ve sci-fi literatuře se občas líčí vesmírné setkání člověka s hmoty se svým protějškem z antihmoty: v okamžiku kdy si podají ruce dojde k mohutnému anihilačnímu výbuchu (viz níže "Antihmota a antisvěty ve sci-fi". Není to tak docela pravda - nedošlo by k masivní celkové anihilaci, ale pouze k plošné anihilaci dlaní (i to by však stačilo k usmrcení obou anti-partnerů!).
Fotonová raketa 
Kolimovaný zdroj elektromagnetického záření vykazuje efekt "raketového tahu"
(je to obrácený efekt ke světelnému tlaku, který poprve pozoroval již Lebeděv). Je to důsledkem zákona zachování hybnosti, neboli zákona akce a reakce: elektromagnetické záření má tok hybnosti, který je v klasické elektrodynamice popsán Poyntingovým vektorem a z kvantového hlediska je dán hybností fotonů (každý foton vlnění o frekvenci f má energii E=h.f a hybnost p=h.f/c). Při vyzáření se tato hybnost předává zdroji v opačném směru, přičemž předaná hybnost za jednotku času udává působící sílu "tahu". Aby tento "raketový efekt" byl znatelný, je třeba neobyčejně vysoký tok záření, který není dosažitelný stávajícími technickými prostředky. V projektu fotonové rakety se počítá s anihilační reakcí, popř. s termonukleární reakcí, která by probíhala v ohnisku velkého polokulového či parabolického zrcadla, které by odráželo vznikající fotony a kolimovalo je směrem "dozadu". Jak bylo již výše nastíněno, záření vznikající při anihilační nebo termonukleární reakci není světelné, ale vysokoenergetické g a korpuskulární záření, pro které neplatí zákon odrazu; zrcadlo z žádného známého materiálu by toto záření neodráželo, ale převážně absorbovalo, což by vedlo k jeho tepelnému zničení.
Pozn.: Místo "fotonová raketa" je možno použít názvu "kvantová raketa", neboť požadovaný efekt vzniká nejen emisí fotonů, ale i jiných kvant-částic nesoucích hybnost. Pro fotony je však nejpříznivější poměr (předaná hybnost®tah)/(potřebná emitovaná hmotnost a energie).
Antihmota a antisvěty ve sci-fi 
Tajemný nádech pojmu "antihmota" vedl ve vědecko-fantastické literatuře ke vzniku představy "
antisvětů", ve kterých je všechno "opačně" a v nichž žijí naši "dvojníci" - "antilidé". Tato představa nemá žádné astronomické opodstatnění (jak bylo výše diskutováno v pasáži "Antiatomy, antisvěty"), je to spíše hříčka pro naši představivost....

  Představme si např. v myšleném sci-fi experimentu, že by si "hmoťanka" zde ze Země pomocí komunikace elektromagnetickým signálem domluvila s "antihmoťanem" někde ze vzdálené galaxie setkání - "rande"- v určitém místě ve vesmíru na poloviční cestě, aniž by věděli že jsou vzájemně z antihmoty. Zaparkovali by v raketách poblíž sebe, vystoupili do volného prostoru a vydali se k sobě pozdravit se - "Ahoj!"; zatím by se nic zvláštního nedělo. Avšak v okamžiku, kdy by si podali ruce, by došlo k masívní anihilaci hmoty a antihmoty *) a oba partneři by byli zničeni v mohutném atomově-částicovém výbuchu. 
*) Vzhledem ke zniku výše zmíněné Leidenfrostovy izolující bariéry nedojde k celkové anihilaci obou těl, ale jen povrchových částí ruky. I to by však stačilo k záhubě a destrukci obou partnerů!
  Kdyby byli prozíraví, mohli by již na dálku otestovat, zda jsou z hmoty stejné povahy. Nejsnadněji tak, že by proti sobě vyslali slabý svazek elektronů a měřili, zda po jejich dopadu nevzniká anihilační gama.záření 511keV. Pokud ano, nesměli by se k sobě přiblížit - rychle by od sebe utekli..!..

Nezabýváme se zde představami antihmoty a antisvětů založených na omylech a nedorozuměních, kdy se předponě "anti" mylně připisují jiné významy, např. filosofické, obrácený tok času a pod. !
Antihmota: gravituje nebo antigravituje ? 
Pro běžnou hmotu složenou složenou z atomů, tvořených elektrony, protony a neutrony, platí Newtonův zákon všeobecné gravitace
("Newtonův gravitační zákon"). V obecné teorii relativity - fyzice gravitace a zakřiveného prostororočasu - platí velmi přesně ověřený princip ekvivalence ("Univerzálnost - základní vlastnost a klíč k pochopení podstaty gravitace"). Logicky z toho usuzujeme, že to platí i pro jednotlivé elementární částice běžné (elektrony, protony, neutrony), a pravděpodobně i pro exotické (neutrina, mesony, hyperony, ...). Přímé experimentální ověření gravitačních vlastností u jednotlivých izolovaných částic je však velmi obtížné (ne-li nemožné), neboť tyto částice se pohybují vysokými rychlostmi a vykazují elektromagnetické a silné interakce s okolím, podstatně silnější než gravitační. Obecně však lze říci, že běžná (koino)hmota gravituje, vykazuje univerzální přitažlivé síly.
  Jak je tomu ale u antičástic (pozitrony, antiprotony, antineutrony), z nich složených "antiatomů" a obecně u antihmoty? Z experimentů na urychlovačích víme, že částice a antičástice mají stejnou setrvačnou hmotnost. Bude však antihmota gravitovat nebo antigravitovat? Z rozboru pravděpodobností krátkodobé existence virtuálních elektron-pozitronových, proton-antiprotonových a jiných dvojic částic ("polarizace vakua") plyne, že výsledky Eötvösových, Dickeho a Braginského měření potvrzují platnost principu ekvivalence pro běžné antičástice (jako je pozitron a antiproton) s přesností ~ 10
-5 až 10-6. Rozhodně tedy u antihmoty nelze očekávat "antigravitaci" - žádné "padání nahoru"! Antihmota bude normálně gravitovat. Jsou připravovány experimenty, které by přesně změřily gravitační účinky přímo na atomech antivodíku - je diskutováno výše v pasáži "Umělá výroba antihmoty".

Interakce elementárních částic - obecné vlastnosti
Vzájemná působení - interakce - různých objektů jsou základem veškerého dění v přírodě. Při interakcích dochází k přenosu energie, hybnosti, momentu hybnosti a nábojů mezi tělesy. Fyzika dospěla k poznání, že podstatou veškerých vzájemných působení a sil v přírodě jsou interakce mezi elementárními částicemi hmoty. Vzájemná působení částic popisujeme třemi způsoby:
v Silové působení - částice na sebe prostě "působí silou", o jejíž původ se nezajímáme a vyšetřujeme "mechanické" důsledky tohoto silového působení. Tak se postupuje v klasické mechanice.
v Fyzikální pole - jedna částice kolem sebe vytváří pole, které silově působí na druhou částici, která se v něm nachází. Tento velmi úspěšný popis je základem klasické elektrodynamiky a gravitace.
  Každému druhu vzájemného působení přisuzujeme příslušné pole - prostor v němž na částice působí určité síly. Velikost působení pole v každém bodě prostoru se vyjadřuje pomocí intenzity pole (síly působící na "jednotkovou testovací částici") nebo pomocí jeho potenciálu. (práce spojené s přenosem částice do daného místa). V klasické fyzice je to pole elektrické, magnetické, gravitační. Změny ("rozruch") v tomto poli se šíří konečnou rychlostí od místa k místu, což je doprovázeno přenosem energie, hybnosti a dalších fyzikálních veličin. Z hlediska klasické fyziky se veličiny, jako je energie a hybnost, při změnách pole přenášejí spojitě. V kvantové fyzice se ukazuje, že při změnách (rozruchu) v poli se fyzikální veličiny přenášejí nespojitě po určitých "porcích" - kvantech. Kvantová teorie pole těmto kvantům přisuzuje určité částice jako nositele interakce (což vede k následujícímu způsobu):
v Výměna částic - částice vysílají a přijímají určitá kvanta polí, což vyvolává jejich vzájemné působení. Tato výměnná kvanta si představujeme jako částice - nositele interakcí. Tento popis je charakteristický pro kvantovou teorii pole (základní principy jsou nastíněny v §1.1, pasáž "Kvantová teorie pole").
  Ve standardním modelu částic jsou interakce zprostředkovány výměnou intermediálních bosonů, které jsou při této výměně ve virtuálním stavu - existují tak krátce, že je díky kvantovému principu neurčitosti nemůžeme přímo pozorovat. Pokud však při interakci získá virtuální částice dostatečnou energii, může se uvolnit a stát se rálnou částicí; to běžně pozorujeme u fotonů, v náročných experimentech na urychlovačích se podařilo pozorovat i těžké bosony W
+,- a Z0.
  Dosah interakce úzce souvisí s klidovou hmotností m
o (neboli klidovou energií Eo=mo.c2) výměnných intermediálních částic. Z kvantové relace neurčitosti DE.Dt » h plyne, že u intermediální virtuální částice, která naruší energii o hodnotu DE (rovnou její klidové energii Eo=mo.c2), může být maximální čas tohoto narušení Dt » h/DE = h/Eo. Za tu dobu může tato částice rychlostí světla urazit dráhu Ds= c.Dt » c.h/Eo, což představuje maximální dosah interakce zprostředkované touto intermediální částicí.
  Elektromagnetická interakce má nekonečný dosah, zprostředkující částicí je foton o nulové klidové hmotnosti
(fotony mohou tedy přenášet v limitě téměř nulovou energii, takže podle relací neurčitosti mohou jako virtuální existovat téměř nekonečnou dobu a limitně se dostat i na nekonečnou vzdálenost). Rovněž gravitační interakce má nekonečný dosah, je zprostředkována gravitony s nulovou klidovou hmotností (zatím hypotetické či modelové částice, které neumíme přímo pozorovat). Naproti tomu slabé interakce jsou zprostředkovány těžkými intermediálními bosony W+,- a Z0 o klidové energii 80 a 91 GeV/c2, takže jejich dosah je velmi malý, řádově 10-15cm (viz níže pasáž "Bosony W+,-, Z0").
  Složitější situace je u silné interakce, která je mezi kvarky zprostředkována gluony nulové klidové hmotnosti, takže její dosah by měl být nekonečný. V atomových jádrech (a obecně mezi hadrony) však pozorujeme krátký dosah silné interakce cca 1,2.10
-13cm. Tato skutečnost se dříve vysvětlovala pomocí intermediálních p-mesonů o klidové hmotnosti cca 135 a 140 MeV/c2; nyní se jaderné síly mezi nukleony chápou jako zbytkový projev silné interakce mezi kvarky (podrobněji je diskutováno níže v části "Kvarková struktura hadronů" a "Čtyři typy interakcí v přírodě", též v §1.1, část "Silná jaderná interakce").
  Základem zkoumání struktury mikrosvěta jsou tzv. rozptylové experimenty *). Spočívají v tom, že studovaný objekt ostřelujeme vhodnými částicemi - elektrony, protony, a-částicemi a pod., a studujeme produkty srážky (či dostatečného přiblížení) nalétající částice s terčíkovým objektem (resp.s druhou částicí). Jedná se buď o původní částice rozptýlené (to je při nižších energiích), nebo jiné sekundární částice, emitované při interakci (to nastává při vyšších energiích). Analýzou energií, hybností, nábojů, úhlů výletu a dalších parametrů sekundárních částic můžeme získat důležité informace o struktuře zkoumaných mikro-objektů a o mechanismech interakcí příslušných částic. Interakce částic jsou důležité jednak při zkoumání struktury hmoty, hlavně však sehrávají klíčovou úlohu při formování hmoty ve vesmíru. Veškerá hmota která zde je (a z níž jsme sami složeni) vznikla při interakcích částic v počátečních stádiích vesmíru, nebo v nitru hvězd.
*) Nemáme prostě jinou možnost zkoumat mikrostruktury tak malé, že nejsou přímo pozorovatelné (ostatně, i běžné vizuální pozorování je do určité míry jakýmsi "rozptylovým experimentem" s fotony viditelného světla...). První důležitý rozptylový experiment provedli již v r.1911 E.Rutheford spolu s H.Geigerem a E.Marsdenem - vedl k objevu atomového jádra (viz §1.1, část "Stavba atomů", obr.1.1.4).
  Pod interakcemi elementárních částic rozumíme procesy při vzájemných srážkách dvou částic nebo srážkách částice s atomovým jádrem
(zde se problematika částečně prolíná s jadernými reakcemi rozebíranými v §1.3 "Jaderné reakce a jaderná energie"). Nejjednodušší dvoučásticovou interakci primárních částic a a b lze symbolicky zapsat jako a + b ® c + d - obr.1.5.1.A. Výsledné sekundární částice c a d po interakci mohou být buď tytéž jako a a b, nebo částice jiné. Často však výsledkem interakce bývají jiné částice než původní a též jiný jejich počet - zvláště při vysokých energiích zpravidla vzniká vyšší počet sekundárních částic (viz níže). Primární částice a a b, vstupující do reakce, jsou již "dopředu" známé (byly cíleně vytvořeny v "iontovém zdroji" a urychleny v urychlovači, nebo jedna z nich připravena v terčíku - viz níže "Urychlovače"). Vylétající částice c, d, popř. další sekundární částice, detekujeme a měříme jejich vlastnosti pomocí detektorů. Procesy vlastní interakce (srážky) se odehrávají v prostorové oblasti o mikro-rozměrech řádu 10-8-10-15cm, takže nejsou dostupné přímému pozorování. O jejich mechanismech si na základě rekonstrukcí interakce vytváříme určité modelové představy a teorie, které vysvětlují přechod od výchozího stavu (a+b) k výslednému koncovému stavu (c+d+ příp. další částice).
Při interakcích částic mezi nimi působí tři základní druhy sil (fyzikálních polí) *):

*) Gravitační interakce u elementárních částic je zcela zanedbatelná a dosud nebyla nikdy zaznamenána. Mohla by se snad projevovat až při extrémně vysokých energiích (»1019GeV), o mnoho řádů vyšších než dovedeme nyní dosáhnout. Nejednalo by se však o nám běžně známé gravitační přitahování, ale gravitace by byla součástí unitárního pole (viz §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").

  Při interakcích částic se obecně uplatňuje zásada: "co je dovoleno, to se též realizuje" - dochází ke všem druhům procesů *), které jsou slučitelné se zákony zachování energie, hybnosti, momentu hybnosti, elektrického náboje, leptonového čísla. Je-li k dispozici dostatek energie, realizuje se při srážkách částic celá řada procesů, avšak s různou pravděpodobností. Tato pravděpodobnost je dána vnitřními mechanismy interakce příslušných polí a vztahem mezi příslušnými konfiguracemi výchozího a koncového stavu. Pravděpodobnosti jednotlivých procesů ("kanálů" interakce) stanovuje kvantová teorie pole pomocí tzv. maticových elementů (elementů matice rozptylu S, viz též níže "Feynmanovy diagramy").
*) Jako kdyby všechna kvanta všech polí byla potenciálně, skrytě a implicitně - virtuálně - přítomna všude v prostoru, ve "vakuu". Z tohoto "unitárního" pole se pak dodáním energie - excitací pole - uvolňují příslušné částice, ať již virtuální či skutečné.
  Průběh a výsledek interakce částic závisí především na dvou okolnostech:
¨ Na druhu interagujících částic.
¨ Na kinetické energii, s níž se částice srážejí (určující je zde energie v těžišťové soustavě obou částic).
  
Pozn.: I při srážkách stejných částic a při stejné energii však zpravidla interakce proběhne pokaždé poněkud jiným způsobem - různými "kanály" reakce. Můžeme si to vysvětlit tak, že jednak srážka může proběhnout "čelně" nebo "periferně" (tj. s různým impaktním faktorem a vzájemným momentem hybnosti obou částic), jednak vlivem stochastických zákonitostí kvantové fyziky se jednotlivé možné konfigurační stavy realizují s různými pravděpodobnostmi.

Feynmanovy diagramy
Pro přehledné grafické znázornění mechanismů interakcí částic se často používají tzv. Feynmanovy diagramy (R.Feynman je poprve zavedl v r.1948). Vycházejí z výměnného popisu interakcí částic. Trajektorie "látkových" částic, fermionů (elektron, proton, ...) jsou zde vyznačeny rovnými plnými čarami s šipkami - částice mají šipku směřující vpravo, antičástice vlevo. Výměnné intermediální částice (foton, W-bosony, gluony...) jsou vyznačeny čárkovaně nebo vlnovkami. Ve vodorovném směru je časová orientace
(používají se i jiné konvence) - ovšem jen symbolická, tyto diagramy neslouží ke konkrétnímu vyjádření časového průběhu interakcí, ale jen k "topologickému" znázornění jejich mechanismů; jsou určitou analogií prostoročasových diagramů používaných v relativistické fyzice. Základní Feynmanův diagram obecné blíže nespecifikované interakce dvou částic a+b®c+d je na obr.1.5.1.A. Do vzájemné blízkosti - interakční oblasti - přilétají primární částice a a b, uvnitř dochází k vlastním procesům interakce, načež z této oblasti vylétají výsledné částice c a d. Horní část obrázku 1.5.1.A znázorňuje obvyklý prostorový nákres srážky obou částic, dolní část obrázku Feynmanovu prezentaci této interakce.
  Vlastní Feynmanovy diagramy pak specifikují a znázorňují možné procesy uvnitř interakční oblasti pro konkrétní druhy vstupujících a vystupujících částic. Opět se skládají z vnějších čar s "volnými konci", znázorňujících částice vstupující do interakce a z ní vystupující. Vlastní interakční procesy jsou zakresleny tzv. interakčními vrcholy - body, v nichž se na výchozí vnější čáru částice napojují vlnové nebo přerušované čáry, odpovídající výměnným intermediálním částicím zprostředkujícím interakci *). V interakčních vrcholech jsou splněny zákony zachování energie, hybnosti, elektrického náboje, leptonového čísla. Vnitřní čáry mezi interakčními vrcholy vnějších čar odpovídají virtuálním částicím, které neopouštějí interakční oblast a mezi vstupujícími ani výslednými "fyzikálními" částicemi v počátečním nebo koncovém stavu nejsou přítomny; při vlastní interakci však působí a na výsledku se podílejí. Z některých interakčních vrcholů mohou dále vycházet i čáry s druhým volným koncem: ty odpovídají reálným částicím (fotonům, W-bosonům, fermionům) emitovaným při procesu.
*) V kvantové teorii pole tyto čáry odpovídají tzv. propagátorům (angl. propagation=šíření) - funkcím udávajícím amplitudu pravděpodobosti (amplitudu "šíření vlny") při pohybu částice s určitou energií a hybností. Jedná se o fermionový (např. elektronový) a bosonový (např. fotonový) propagátor. Propagátory lze vyjádřit pomocí tzv. Greenových funkcí, kteréjsou řešením vlnových rovnic příslušných částic (buď nehomogenní Diracovy rovnice s d-funkcí souřadnic a času, nebo d´Alembertovy rovnice pro potenciály elektromagnetického pole). Vlastní interakční vrcholy odpovídají operátorům kreace (vzniku) a anihilace (zániku, zničení) příslušných částic.
  Uvedeme si příklady Feynmanových diagramů pro některé konkrétní typické interakce částic - obr.1.5.1. Z hlediska jaderné, radiační a částicové fyziky jsou tyto interakce podrobněji rozebírány na jiných příslušných místech (§1.2, 1.3, 1.5, 1.6) našeho pojednání. Začněme interakcemi při nízkých energiích. Nejjednodušším procesem s částicemi je interakce dvou elektronů pod vlivem elektromagnetické síly. Základním mechanismem, působícím v interakční oblasti, je zde podle koncepce kvantové elektrodynamiky výměna fotonů mezi oběma elektrony - na Feynmanově diagramu jsou elektronové čáry ve svých interakčních vrcholech spojeny fotonovou čárou (obr.1.5.1.B) - jeden elektron vyzáří virtuální foton
g*, druhý ho absorbuje, čímž se oba elektrony na svých drahách vzájemně rozptýlí (pružný rozptyl). Výsledným stavem jsou opět dva elektrony. Toto je však jen jeden z možných procesů a navíc pouze v první aproximaci. Již z klasické elektrodynamiky je známo, že při každém zrychleném pohybu elektrických nábojů dochází k vyzařování elektromagnetických vln. Emise fotonu brzdného záření nastává i při rozptylu elektronů. Při vyšších energiích se mohou realizovat i interakční vrcholy s energetickými částicemi, které mohou generovat reálné částice - linie s volnými konci odpovídající sekundárním leptonům; při nejvyšších energiích i produkce těžkých částic (viz níže).
  Dalším jednoduchým procesem elektromagnetické interakce je rozptyl fotonu na elektronu - Comptonův rozptyl (je popsán v §1.6 "Ionizující záření", část "
Interakce záření gama a X", obr.1.6.3). Na Feynmanově diagramu v horní části obr.1.5.1C vidíme ve vstupní oblasti plnou čáru elektronu a vlnovku fotonu. V interakčním vrcholu vzniká virtuální elektron e* (který jako by "pohltil" energii fotonu), který se v druhém vrcholu opět mění na vylétající elektron a foton. Interakce pozitronu s elektronem může při nízkých energiích proběhnout opět buď jako Coulombický pružný rozptyl (Feynmanův diagram je zcela analogický obr.1.5.1.B), nebo jako proces anihilace za vzniku fotonů gama - dolní část obr.1.5.1.C. Při vyšších energiích je v obou těchto procesech opět více možností za vzniku dalších sekundárních částic. Při nejvyšších energiích je řada možností produkce i těžkých částic, včetně Higgsových bosonů. Dvě takové možnosti "elektro-slabé produkce" Higgsova bosonu jsou na obr.1.5.1.D: přímá interakce e++e-®Z*®Z+H (H-vyzáření) a sdružená produkce W nebo Z a jejich následná fúze na H. Higgsovy bosony jsou vysoce nestabilní částice a okamžitě se rozpadají buď na dva vysokoenergetické fotony, nebo na čtyři leptony (přes intermediální bosony W či Z), příp. dalšími zůsoby (vlastnosti Higgsových bosonů jsou popsány níže v části "Hypotetické a modelové částice").


Obr.1.5.1. Příklady Feynmanových diagramů některých význačných interakcí částic.

Pozn.: Symbolické obrázky protonů, neutronů a
p-mesonů nejsou součástí standardních Feynmanových diagramů; jsou zde zakresleny jen pro názornost.

  Slabé interakce jsou zprostředkovány výměnými intermediálními bosony W (popř. Z). Na obr.1.5.1.F je diagram důležitého procesu transmutace kvarku d na u při b--radioaktivní přeměně neutronu na proton, elektron a (anti)neutrino: no ® p+ + e- + n'e. Tento proces, stejně jako analogický proces b+, odpovídá obrázku 1.2.5 v §1.2 "Radioaktivita", část "Radioaktivita beta". Další důležité procesy, probíhající vlivem slabé (resp. elektroslabé) interakce, jsou rozpady pionů na miony a neutrina, např. p- ® m- + n'm (analogicky probíhá rozpad p+) a mionů na elektrony a neutrina, např. m- ® e- + n'e+ nm (analogicky pro m+) - zachycují to Feynmanovy diagramy na obr.1.5.1.G.
  Silné interakce jsou zprostředkovány "výměnou" gluonů mezi kvarky, obsaženými uvnitř hadronů - mesonů (především
p a K) a baryonů (protonů, neutronů, hyperonů). Nelinearita kvantové chromodynamiky silné interakce spolu s ideou asymptotické volnosti (viz níže "Uvězněné kvarky", nebo "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.") umožňuje Feynmanovy diagramy (a poruchový přístup) používat jen v procesech, kde je kvarkům předávána vysoká hybnost. "Klidové" interakce kvarků v hadronech, silnou interakci nukleonů v jádrech a "hadronizaci" kvark-gluonové plasmy takto analyzovat nelze. Zato však lze dobře popsat vysokoenergetické interakce mezi hadrony. Na obr.1.5.1.E je znázorněn Feynmanův diagram produkce pionu při srážce dvou protonů p+p®p+p+po; je to jeden z možných procesů, alternativně může vznikat i proton, neutron a p+, nebo dva neutrony a p-.
  Při vysokoenergetických interakcích (viz níže), kdy je k dispozici dostatek energie, se může realizovat široké spektrum různých vnitřních procesů. Především, intermediální W-bosony či gluony, napojené v interakčních vrcholech, mohou získat natolik vysokou energii, že mohou generovat velmi těžké částice - Higgsovy bosony H a těžké kvarky t, ve sdružené produkci částice-antičástice. Ty se pak vzápětí rozpadají za účinku intermediálních bosonů W na elektrony, miony, tauony, neutrina a jejich antičástice. Higgsovy bosony se též mohou rozpadat na dvojici vysokoenergetických fotonů
g. Dále, opakovanými procesy s intermediálními částicemi může při jedné srážce vznikat více částic - včetně kvarků, které vzápětí hadronizují. Na obr.1.5.1.H je příklad vysokoenergetické srážky dvou protonů při energii stovky GeV, kdy interakcemi s výměnnými gluony mohou vznikat i těžké t-kvarky, b-kvarky, pak W-bosony a nakonec leptony (elektrony e±, miony m±, tauony t, neutrina n), které vylétají z interakční oblasti a mohou být detekovány. Při ještě vyšší energii desítky TeV (zatím nedosaženo...) je jednou z více možností i vznik Higgsova bosonu ("silná produkce" H výměnnou interakcí energetických kvarků s gluony nebo W-bosony) a série následujících rozpadů na W-bosony a nakonec opět leptony či kvarky - obr.1.5.1.I. A samozřejmě je to doprovázeno hadronizací energetických kvarků. Na obr.1.5.1.I je znázorněn vznik Higgsova bosonu tzv. gluonovou fúzí; dalšími možnostmi je W nebo Z fúze (analogické jako na obr.D dole, jen místo elektronů jsou kvarky), popř. sdružená produkce s W nebo s t-t'-párem.
  V těchto vysokoenergetických srážkách do interakční oblasti vstupují i ostatní kvarky srážejících se protonů - interakcí s gluony zde pak může vzniknout tzv. kvark-gluonová plasma
(viz níže pasáž "Kvark-gluonová plasma - "5.skupenství hmoty", " a v §1.3 pasáž "Vysokoenergetické srážky těžších jader. Kvark-gluonová plasma."), jejíž hadronizací vznikají další sekundární hadrony (především piony, nukleony), vylétající z interakční oblasti. Na obr.1.5.1.H,I jsou vyznačeny dvě interakční oblasti. První - "asymptoticky volná" - odpovídá vysokoenergetickým interakcím, při nichž se i kvarky chovají jako volné a jejich interakce může být popsána Feynmanovými diagramy; je analogická interakčním oblastem na ostatních diagramech. Druhá interakční oblast odpovídá hadronizaci kvarků, které nemohou vyletět samostatně, ale v gluonovém poli díky své energii generují další dvojice kvarků-antikvarků, které se spojují do dvojic a trojic - vylétají jako hardony - mesony p a K, protony, neutrony, hyperony. Tyto částice vylétají často v úzce směrovaných sprškách, zvaných jety, v malém úhlu kolem směru letu původních energetických kvarků.
  V kvantové teorii pole (v jejím tzv. poruchovém přístupu) se Feynmanovy diagramy používají jako vodítko pro započtení příspěvků od různých druhů možných procesů s intermediálními kvanty do tzv. maticových elementů (prvků S-matice rozptylu), udávajících pravděpodobnosti kvantových přechodů mezi stavy daného systému - zde mezi stavem před interakcí a po interakci částic.
   Nejprve se sestaví příslušné Feynmanovy diagramy, jejichž vnější linie odpovídají vstupujícím částicím počátečního stavu a vystupujícím částicím koncového stavu. Vyšetřuje se postupně 1.aproximace (diagram s 2 interakčními vrcholy), 2.aproximace (4 vrcholy), ..., N-aproximace (počet vrcholů 2N). Pro každou z těchto aproximací se kreslí všechny rozdílné (topologicky neekvivalentní) diagramy se stejnými vnějšími liniemi a počty vrcholů. V každém takovém diagramu se pro jednotlivé jeho části - vnější linie, vnitřní linie, vrcholy - stanovují specifické členy (koeficienty), obsahující (4-)hybnosti a vazbovou konstantu g příslušné interakce. Pak se provede integrace přes všechny hybnosti. Příspěvky všech diagramů se nakonec sečtou.
..............přijde doplnit.................

Vznik nových částic při interakcích
Specifickým jevem při vysokoenergetických interakcích částic je vznik nových částic - emise dalších částic, které nebyly předtím přítomny. Mohou to být buď částice stejného druhu jako vstupovaly do interakce, nebo částice jiného druhu. Tento jev si vysvětlujeme pomocí Diracovy kvantové koncepce vakua *), které není "prázdným prostorem", ale je zaplněno virtuálními částicemi, resp. dvojicemi částic a antičástic. Jestliže při interakci v určitém místě vznikne dostatečně velký gradient určitého pole - je předána dostatečně velká energie - přemění se tyto virtuální částice na částice reálné; to pozorujeme jako emisi nových částic. Dochází přitom ke sdružené produkci dvojic částic-antičástic. Nutnou podmínkou pro vznik nových částic je dosažení dostatečně vysoké energie interakce - prahové energie, vyšší než
Smo.c2, kde Smo je úhrnná klidová hmotnost vznikajících částic.
*) Mechanismy vzniku částic se podrobně zabývá kvantová teorie pole a unitární teorie. K jejich grafickému znázornění se používají i výše zmíněné Feynmanovy diagramy.
Vícenásobné interakce - kaskády interakcí a spršky částic 
Při interakci vysokoenergetických částic v dostatečně objemném látkovém prostředí dochází k efektu vícenásobné interakce. Sekundární částice, uvolněné při první interakci dopadající primární částice, způsobují další interakce, při nichž se produkují další (terciální) částice, které činí totéž. Z jedné dopadající částice tak v kaskádě interakcí vzniká celá sprška sekundárních částic. Jak rozvíjející se sprška proniká do hloubky materiálu, počet sekundárních částic roste a jejich průměrná energie klesá. Jakmile tato energie poklesne pod určitou prahovou mez, multiplikační proces se zastaví a energie částic se bude dissipovat ionizací a excitací; počet částic ve spršce bude klesat, až sprška nakonec zanikne. V praxi rozlišujeme dva druhy kaskádních interakcí:
¨ Elektromagnetické spršky
vznikající při interakcích vysokoenergetických fotonů nebo elektronů s atomy látky. Sekundární elektrony a fotony, emitované při primární interakci, vlivem párové e
-e+ produkce, Comptonova rozptylu, fotoefektu a brzdného záření, vyvolávají další elektrony (+pozitrony) a fotony; atd.
¨ Hadronové spršky
vznikající v důsledu nepružných interakcí vysokoenergetických hadronů s atomovými jádry materiálu. Dochází ke vzniku jaderných fragmentů a k produkci nových sekundárních částic - p, n, p, K. Počet těchto sekundárních částic je přibližně úměrný logaritmu energie n ~ lnE.
   V řadě případů v praxi tato sprška není čistě hadronová nebo elektromagnetická, ale smíšená. Součástí hadronové spršky jsou piony, které se vzápětí rozpadají:
p+,-®m+,-+nm, po®g+g; vede to ke vzniku elektromagnetické elektron-foton-mionové spršky, která doprovází hadronovou kaskádu. Každá hadronová sprška má tedy i elektromagnetickou složku. A při interakci vysokoenergetických fotonů nebo elektronů dochází při fotojaderných reakcích k emisi protonů a neutronů, které mohou elektromagnetickou spršku obohacovat o hadronovou složku. Kaskády interakcí a spršky sekundárních částic pozorujeme u kosmického záření (viz obrázek 1.6.7 v §1.6, část "Kosmické záření") a při interakcích částic na urychlovačích (v bublinových komorách, trackerech a kalorimetrech).

Účinný průřez interakcí částic. Impaktní parametr.
Podobně jako u chemických a jaderných reakcí, i interakce elementárních částic probíhají různě "ochotně" - s různou účinností či pravděpodobností, v závislosti na druhu interakce a energii částic. Pravděpodobnost interakcí částic lze názorně vyjádřit geometrickým způsobem pomocí tzv. účinného průřezu reakce. Účinný průřez (angl. cross section) vyjadřuje pravděpodobnost, že ostřelující částice bude daným konkrétním způsobem interagovat s terčovou částicí.
  Koncepce účinného průřezu vychází z názorné představy, že terčová částice se vzhledem k nalétající částici chová jako "absorbující tělísko" o poloměru r (na obr. černý kotouč), které částice buď zasáhne a dojde k požadované interakci, nebo je nezasáhne (mine je, proletí kolem) a k interakci nedojde. Čím větší je poloměr tohoto tělíska, resp. jeho efektivní ploška
s = p.r2 - účinný průřez, tím větší je pravděpodobnost interakce (pravděpodobnost, že částice se "trefí").


Vyjádření pravděpodobnosti interakce ostřelující částice s terčíkovou částicí pomocí účinného průřezu

Účinný průřez může, ale nemusí, přímo souviset s "geometrickým průměrem" terčové částice rgeom, či jejím "geometrickým průřezem" sgeom = p.r2geom. Pro "přitahující se" částice je s > sgeom, pro odpuzující se částice je s < sgeom. Kromě toho stejná ostřelující částice může na téže terčové částici způsobit různé interakce, jejichž různé pravděpodobnosti popíšeme různými parciálními účinnými průřezy. Tyto účinné průřezy nemají již nic společného s geometrickými rozměry částic - jsou důsledkem vnitřních mechanismů konkrétních druhů interakcí (o geometrických rozměrech částic bylo diskutováno výše v pasáži "Velikost elementárních částic ...").
  Jednotkou účinného průřezu v soustavě SI by byl m
2, který je však neadekvátně velký a proto se v jaderné fyzice používá jednotka barn (bn): 1 bn = 10-28m2, která má řádově velikost geometrického průřezu protonu vzhledem k silné interakci.
  Účinný průřez interakce velmi těsně souvisí s koeficientem absorbce, tzv. lineárním součinitelem zeslabení m, v exponenciálním zákoně absorbce ionizujícího záření v látkách. Tato souvislost bude vyjasněna v následujícím §1.6 "Ionizující záření", pasáž "Absorbce záření v látkách".
  Pro průběh konkrétní interakce je důležitý tzv. impaktní parametr b: je to geometrická vzdálenost středů efektivních "disků" interagujících částic, v níž kolem sebe prolétají nebo se protínají. V případě malého impaktního parametru b<<r
geom se jedná o centrální srážku, při větších hodnotách b o srážku periferní. Pokud je impaktní parametr větší než rgeom, resp. větší než součet efektivních poloměrů obou částic (terčové a nalétající), nedochází již k přímé interakci základním mechanismem (silnou krátkodosahovou interakcí), ale částice mohou interagovat prostřednitvím svých elektrických polí, pokud jsou nabité (taková srážka se někdy nazývá ultraperiferní).
Závislost účinného průřezu na energii 
  Při daném druhu částic a interakcí je účinný průřez poměrně složitou funkcí energie nalétající částice. Energetická závislost účinného průřezu má často rezonanční charakter: měníme-li spojitě energii interagující částice, objevují se na křivce závislosti účinného průřezu výrazná maxima kolem určitých konkrétních hodnot energie. Tyto závislosti svým tvarem připomínají rezonanční křivky závislost proudu, napětí či impedance u elektrických obvodů RLC (obsahujících ohmický odpor R, indukčnost L a kapacitu C), na frekvenci f střídavého elektrického signálu kolem frekvence f
rez= 1/[2(LC)]. Pro účinný průřez tohoto druhu interakcí byl již v r.1936 odvozen důležitý Breit-Wignerův vztah *)
                
s = (l/2p)2.g.G2.1/[(E-Er)2 + (G/2)2] ,
kde Er je rezonanční energie,
G představuje šířku excitované hladiny intermediálního stavu při interakci, l je vlnová délka částice, faktor g je funkcí poměru spinů výchozího a konečného stavu.
*) Breit a Wigner odvodili tento vztah pro speciální případ elastického rozptylu nalétající částice v potenciálovém poli částice terčíkové. S určitými modifikacemi však tento vzorec platí pro všechny druhy interakcí vykazující rezonanční maxima účinného průřezu.
  Přítomnost rezonančních maxim v energetické závislosti účinného průřezu svědčí pro existenci určitých dynamických procesů při interakci - vznik vázaných systémů, diskrétních excitovaných stavů či intermediálních částic.

Interakce částic vysokých energií
V §1.3 a 1.6 jsou rozebírány interakce především při nižších a středních energiích, které vedou k charakteristickým jevům excitace a ionizace atomů, popř. k jaderným reakcím spojeným s transmutací atomových jader a emisí jaderných částic. Při nízkých energiích (menších než cca 1MeV) se celkový počet elementárních částic před a po interakci nemění, vznikají příp. jen fotony odnášející energii při deexcitaci vzbuzených stavů. Pokud energie interagujících částic (včetně fotonů gama) překročí prahovou hodnotu 2.m
e.c2 = 1,022MeV, mohou při reakci vznikat nové (sekundární) částice - dvojice elektron e- a pozitron e+.
  Pod interakcí částic vysokých energií se rozumí reakce vyvolané částicemi s energií, která leží nad prahem produkce mezonů
p, neboli nad energií »140MeV v těžišťové soustavě. Se stoupající energií se při takových interakcích může produkovat postupně více nových sekundárních částic (většinou p-mezonů) a dále též částice s vyšší klidovou hmotností - mezony K, nukleony a antinukleony, hyperony, bosony W a Z (při nejvyšších energiích mnoha TeV a více se očekávají i produkce Higgsových bosonů, supersymetrických částic, leptokvarků a dalších "exotických" dosud neprokázaných částic).
   Jsou-li částicemi vysokých energií (např. protony) ostřelována atomová jádra, dochází k vyrážení několika nukleonů a "odštěpků" - k "tříštění" či fragmentaci jader.
  Při nejvyšších energiích (řádově 100GeV a vyšších) jsou interakce již značně složité a různorodé, dochází k produkci velkého počtu sekundárních částic. V laboratorní (terčíkové) soustavě vzniká úzký svazek sekundárních částic, předenším pionů
p, kolimovaných dopředu ve směru pohybu primární částice - jakási tryska či sprška částic. Dále vzniká širší kužel těžších částic a také kvant gama. Při těchto reakcích se plně projevují kinematické a dynamické efekty speciální teorie relativity - označují se někdy jako ulrarelativistické. Při vysokoenergetických srážkách těžkých částic (protonů a zvláště těžších atomových jader) může na kratičký okamžik vzniknout vzniknout zvláštní směsice lokálně volných kvarků a gluonů - tzv. kvark-gluonová plasma (podrobněji rozebíraná níže v části "Kvarková struktura hadronů", pasáž "Kvark-gluonová plasma - 5.skupenství hmoty").
   Studium interakcí částic při vysokých energiích má velký význam pro poznání struktury elementárních částic a podstaty sil, které mezi nimi působí. Během srážky při vysoké energii částice vzájemně proniknou "hluboko do svých niter" a výsledek interakce může leccos vypovědět o jejich stavbě. Vlivem kvantových procesů v polích silných, slabých a elektromagnetických interakcí vznikají při vysokoenergetických srážkách nové sekundární částice, které jsou jednak zajímavé samy o sobě, jednak nesou důležité informace o charakteru fundamentálních přírodních sil, včetně možností jejich jednotného chápání v rámci unitární teorie pole. Srážky částic při vysokých energiích jsou jakousi "sondou" do nejhlubšího nitra hmoty *) - a zároveň i do procesů vzniku vesmíru
(viz §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Konkrétní způsoby interakcí částic budou popsány níže pro jednotlivé druhy elementárních částic.
*) Srovnejme též s též levou částí obr.1.0.1 v §1.0. "Fyzika - fundamentální přírodní věda".

Analýza dynamiky interakcí částic
  Vysokoenergetické interakce elementárních částic se studují pomocí velkých urychlovačů (viz níže část "Urychlovače nabitých částic"). Na vlastní urychlovač navazují velmi komplikované a precizní detekční aparatury a systémy *), které analyzují sekundární částice a záření, vzniklé při interakci vysokoenergetických primárních částic s materiálem terčíku či vzájemně ve vstřícných svazcích. Obsahují velký počet jednotlivých detektorů různých druhů (scintilační, polovodičové, ionizační), umístěných v silných a speciálně konfigurovaných magnetických polích (pro analýzu hybnosti nabitých částic). Analýzou druhu, náboje a hmotnosti těchto vyletujících částic, jejich energií, hybností a úhlů emise z místa interakce, lze rekonstruovat řadu parametrů interakcí, k nimž dochází. Z toho lze usuzovat na strukturu elementárních částic, vlastnosti působících polí a interakcí, na existenci nových dosud neznámých kvant a částic.
*) Pro tento účel se dříve používaly velké bublinkové komory (viz §2.2, část "Detektory stop částic"). Nyní jsou nahrazovány rozsáhlými a složitými elektronickými detekčními systémy (§2.1, část "Uspořádání a konfigurace detektorů záření"), obsahujícími mimo jiné tzv. trackery (angl. track = stopa, dráha) - elektronické detektory drah částic. Používají především multidetektorové polovodičové systémy (§2.5 "Polovodičové detektory"), popř. soustavy speciálních ionizačních komor a scintilačních detektorů.
  I tehdy, když se určitá intermediální částice rozpadne hned v místě interakce (a nemůže být tedy detekována přímo), nesou produkty jejího rozpadu určité informace o jejích vlastnostech. Ze změřených energií a hybností lze stanovit hmotnost původní částice. Vyneseme-li na vodorovnou osu změřenou energii detekovaného souboru částic odpovídajícího příslušnému "kanálu" rozpadu - sekundárních částic, na které by se hledaná intermediální částice měla rozpadat - a na svislou osu vyneseme registrovaný počet případů (příp. normalizovaný na jednotku energie primárních srážejících se částic, např. protonů), může se na jinak plynulé křivce objevit drobný "hrbolek", svědčící pro existenci krátkožijící částice o příslušné klidové hmotnosti, odpovídající energii na vodorovné ose.
Na základě kvantové relace neurčitosti mezi dobou života
t částice a neurčitostí stanovení její klidové energie E = mc2 (t.DE » h) lze ze stastistického "rozmazání" stanovených hodnot klidové hmotnosti určit dobu života t intermediální částice.
Dalitzův diagram 
Na výstupu detekčních systémů, obklopujících místo interakce, se objevuje velké množství impulsů různých velikostí, tvarů, časových a úhlových korelací, nesoucích informace o energiích, hybnostech a dalších parametrech sekundárních částic. Orientovat se v tak velkém množství dat není nikterak snadné. Pro přehledné zobrazení a kinematickou analýzu produktů interakcí částic se často používají tzv. Dalitzovy diagramy (diagramy tohoto typu poprve zavedl R.H.Dalitz v r.1953 při studiu rozpadů K-mezonů). Ze zákonů zachování energie a hybnosti vyplývá, že kinematiku interakce lze vhodně parametrizovat druhou mocninou energie částic. Na osách diagramu se vynášejí (v energetických jednotkách GeV
2) druhé mocniny efektivních hmotností»energií dvojic dceřinných částic (produktů interakce*), většinou p-mezonů.
*) Jestliže např. při interakci dvou primárních částic P1 a P2: P1+P2®A+B+C vzniknou tři sekundární částice A,B,C, na osu X vynášíme m2AB a na osu Y hodnoty m2BC. Tyto kvadráty hmotností jsou rovné druhým mocninám součtů 4-hybností částic: m2AB = (pA+pB)2, analogicky mBC.
  Pokud studovaný druh interakce probíhá přímo, bez ovlivnění dynamickými procesy intermediálních částic či rezonančních stavů (což je z určitého pohledu totéž...), jsou výsledné částice náhodně rozděleny a distribuce příslušných měřených bodů na Dalitzově diagramu je přibližně homogenní, vyplňující trojúhelníkovou oblast pod diagonálou danou použitou energií. Pokud však při interaci vzniká nějaká krátkožijící intermediální částice (resp. rezonanční proces), jejímiž produkty rozpadu jsou detekované sekundární částice, je distribuce měřených bodů na Dalitzově diagramu nehomogenní - objevují se lokální zhuštěniny (v profilu diagramem pak píky) v oblastech kolem hmotnosti intermediální částice.
  Analýzy tohoto druhu se dříve prováděly manuálně s vykreslením bodů na papír. Nyní se provádějí pomocí výkonné počítačové techniky, diagramy jsou digitalizované a zobrazují se pomocí počítačové grafiky, někdy i s barevnou modulací obrazu. Zavádějí se též Fourierovy transformace pro analýzu vztahu mezi časovým a energetickým spektrem u krátkožijícího stavu intermediální částice či rezonance. Všechny tyto metodické přístupy jsou užitečné nejen při analýze interakcí částic, ale všude tam, kde potřebujeme odlišit kinematické efekty od dynamických, prokázat existenci nějakého krátkožijícího vázaného stavu, který není přímo pozorovatelný.
Energetická závislost účinného průřezu 
  Tento postup se vhodně kombinuje s analýzou energetické závislosti účinných průřezů interakce, jejíž případný rezonanční charakter se vyjadřuje pomocí shora zmíněného Breit-Wignerova vztahu. Vyskytují-li se v energetické závislosti účinného průřezu interakce rezonanční vrcholy a zároveň na Dalitzově diagramu energetické distribuce sekundárních částic jsou patrné lokální zhuštěniny a píky, je téměř jisté, že při interakci dochází k dynamickým procesům vzniku excitovaných stavů či intermediálních částic.
Chybějící energie 
  Pokud je studovaná interakce doprovázena vznikem neutrálních slabě interagujících částic, nelze tyto normálním způsobem detekovat. Zde je určitou možností rozbor energetické bilance: určíme energie a hybnosti ostatních částic a na základě zákona zachování energie a hybnosti určíme hodnoty energie a hybnosti, které neznámá částice odnáší. Z nich pak můžeme určit klidovou hmotnost neznámé částice.
.?..doplnit-další druhy diagramů+obrázky..?...


Vlastnosti a interakce nejdůležitějších elementárních částic
V tomto odstavci si stručně přiblížíme jednotlivé nejvýznačnější částice mikrosvěta, jejich původ a vznik při interakcích částic, jejich vlastnosti a hlavní způsoby, jak interagují mezi sebou a s dalšími částicemi. Při tomto stručném popisu vlastností elementárních částic se nebudeme držet výše nastíněné systematiky, ale budeme postupovat od známých, rozšířených a v praxi využívaných částic k "exotičtějším", méně známým a skrytějším částicím, jejichž význam pro stavbu a vlastnosti hmoty někdy ani není znám.

Elektrony a pozitrony
Elektrony e
-
jsou základními, skutečně elementárními, stabilními částicemi hmoty, které tvoří elektronový obal atomů. Elektron je nositelem záporného elementárního náboje e = 1,60219.10
-19C, jeho klidová hmotnost je me = 9,1095.10-31kg (=511keV/c2), řadí se mezi leptony, je fermionem se spinem (1/2)h. Magnetický moment elektronu je e.h/4pme - tzv. Bohrův magneton. Podle představ současné kosmologie elektrony vznikly v nejranějších fázích vývoje vesmíru po velkém třesku, při oddělování elektromagnetické a slabé interakce. Kromě toho elektrony vznikají při řadě procesů a interakcí jiných elementárních částic, např. při b--radioaktivitě no ® p+ + e- + ne´ a při mnoha dalších procesech, jak je vidět z níže popsaných interakcí ostatních částic. Kromě atomové a jaderné fyziky hrají elektrony klíčovou roli v jevech elektromagnetických, jejichž převážná většina je založena na pohybu elektronů, vytvářejících elektrický proud.
Elektron byl, jakožto vůbec první elementární částice stavby hmoty, objeven v r.1895 J.J.Thomsonem při studiu elektrických výbojů v plynech v katodové trubici.
Pozitron e
+
je antičásticí k elektronu, má tudíž stejnou hmotnost a spin, elektrický náboj je stejné velikosti, ale opačného (kladného) znaménka. Ve vakuu je pozitron stabilní částicí, stejně jako elektron. Jakmile se však nachází v látkovém prostředí zaplněném atomy a tudíž i elektrony, zaniká v anihilační interakci s elektrony: e
+ + e- ® 2g, přičemž vznikají dvě kvanta záření gama o energiích 511keV, rozlétající se v protilehlých směrech (pod úhlem 180°). Tato dokonalá úhlová korelace se široce využívá v gamagrafickém zobrazení metodou pozitronové emisní tomografie v nukleární medicíně (§4.3, část "Pozitronová emisní tomografie PET").
Pozn.: Tyto zákonitosti platí přesně jen v těžišťové vztažné soustavě pozitronu a elektronu. Energie fotonů 2´511keV je důsledkem zákona zachování energie (klidová energie elektronu i pozitronu je m0e.c2 = 511keV), protilehlý směr 180° je důsledkem zákona zachování hybnosti. Při srážkách pozitronů a elektronů vyšších energií by se úhel rozletu anihilačních fotonů lišil od 180°. V látkovém prostředí však pozitron a elektron mají v okamžiku, kdy dojde k anihilaci, již poměrně malé rychlosti, takže emitovaná kvanta vylétají skutečně téměř opačným směrem.
Pozitronium
Těsně před vlastní anihilací elektron e- a pozitron e+ mohou na chviličku kolem sebe obíhat (obíhají kolem společného těžiště) - utvoří zvláštní vázaný systém (podobný atomu vodíku) zvaný positronium (Ps). Rozměr "atomu" pozitronia je dvojnásobek atomu vodíku, vazbová energie pozitronia je 6,8 eV. Podle vzájemné orientace spinů elektronu a pozitronu může být pozitronium buď v singletním stavu 1S0 s opačně orientovanými spiny - tzv. parapozitronium p-Ps (1/4 případů), nebo v tripletním stavu 3S1 se souhlasně orientovanými spiny - tzv. orthopozitronium o-Ps (3/4 případů).
  Tento systém pozitronia je však nestabilní, obě částice se za vyzařování elektromagnetických vln k sobě po spirále přibližují; u p-Ps za cca 120ps na sebe "dopadnou" a dojde k vlastní anihilaci na dva fotony g, každý o energii 511keV. V případě o-Ps je anihilace na dva fotony zakázána kvantovými výběrovými pravidly (souvisí se zákonem zachování spinového momentu hybnosti - každý z fotonů má spin 1), takže o-Ps by se ve vakuu rozpadalo s poměrně dlouhou dobou života cca 140ns emisí 3 fotonů se spojitým energetickým spektrem (celkovou energii 1022keV si fotony rozdělí stochastickým způsobem). V látce však pozitron vázaný v o-Ps daleko dříve stačí anihilovat s některým "cizím" elektronem z okolního prostředí, který má opačnou orientaci spinu - vznikají opět dva fotony g o energiích 511keV.
  Při anihilaci pozitronu s elektronem vznikají v naprosté většině případů 2 fotony gama, jak bylo výše uvedeno. Někdy jich však může vzniknout i více, avšak s velmi malou pravděpodobností (pravděpodobnost, že při e-e+-anihilaci vznikne 2+n fotonů je úměrná a-n, kde a=1/137 je konstanta jemné struktury). Pokud pozitron interaguje s elektronem vázaným v atomovém obalu, může být zánik takového páru doprovázen i vysláním pouze jediného fotonu, přičemž část energie a příslušná hybnost mohou být předány buď atomovému jádru nebo některému z ostatních elektronů; pravděpodobnost tohoto procesu je však velice malá a v praxi se neuplatňuje.
  Doba života pozitronů v látkách činí řádově stovky pikosekund. Přesná hodnota však záleží na lokálních elektronových hustotách a konfiguracích, čehož se využívá ve spektroskopické metodě PLS (Positron Lifetime Spectroscopy). Zkoumaný materiál se lokálně ozařuje b+- g zářičem (nejčastěji 22Na), přičemž doba života pozitronů se stanovuje na základě měření zpožděných koincidencí mezi detekcí fotonu záření g z ozařujícího radionuklidu (u 22Na je to g 1274 keV) a detekcí anihilačního fotonu g 511 keV.
  V pozemské přírodě se tudíž pozitrony za normálních okolností trvale nevyskytují, vznikají jen na kratičkou dobu při určitých interakcích elementárních částic a vzápětí (za cca 10
-10-10-7s) opět anihilují. Nejznámějším procesem, při němž vznikají pozitrony, je b+-radioaktivita způsobená přeměnou protonu p+ v jádře na neutron no, pozitron e+ a neutrino: p+ ® no + e+ + ne. Pozitrony jsou dále poměrně častými produkty při interakcí částic při vysokých energiích (viz níže) a při rozpadech mionů a pionů; takto se vyskytují v sekundárním kosmickém záření (viz pasáž "Kosmické záření" v §1.6 "Ionizující záření").
  Pozitron byl poprve pozorován v r.1932 C.D.Andersonem v kosmickém záření detekovaném pomocí Wilsonovy mlžné komory umístěné v magnetickém poli, kde se objevila stopa částice stejných ionizačních vlastností jako elektron, ale s opačným směrem stáčení v magnetickém poli, tedy "kladný" elektron.

Protony a neutrony
Protony a neutrony, souhrnně nazývané nukleony, jsou stavebními částicemi atomových jader. Jedná se o těžké částice ze skupiny baryonů, vykazují silnou interakci což je řadí mezi hadrony - jsou složeny ze 3 kvarků. Jsou přírodního původu - vznikly v "ohnivé peci" velkého třesku na počátku tzv. hadronové éry, v první miliontině sekundy existence vesmíru. Kromě toho vznikají při řadě procesů a interakcí jiných elementárních částic; při radioaktivních přeměnách
b-,+ dochází k vzájemným přeměnám neutronů a protonů.
  
Protony, jakožto jádra vodíku, byly objeveny při studiu elektrických výbojů v plynech zhruba ve stejné době jako elektrony (koncem 19.stol.). Neutrony byly objeveny až v r.1932 J.Chadwickem při ostřelování jader berylia částicemi alfa (viz §1.1 "Atomy a atomová jádra").
Proton p
+ 
nese kladný elementární elektrický náboj stejné absolutní velikosti e jako elektron, jeho klidová hmotnost je m
p = 1,6726.10-27kg = 1836,151 me = 938,256MeV/c2. Magnetický moment protonu je e.h/4pmp - tzv. jaderný magneton, který je 1836-krát menší než Bohrův magneton (zjednodušeně si to můžeme představit tak, že při stejném spinu a náboji těžký proton "rotuje pomaleji", než lehký elektron). Proton je stabilní částice (pomineme zde některé spekulace o možném rozpadu protonu *). Počet protonů v jádře (protonové číslo Z) určuje zároveň i počet elektronů v obalu a tudíž i "velikost" atomu a jeho chemické vlastnosti při slučování s dalšími atomy. Samotný proton tvoří jádro nejjednoduššího prvku - vodíku 1H1. S volnými protony se setkáváme v ionizované vodíkové plasmě a při jaderných reakcích, do nichž urychlené protony vstupují, nebo jsou jejich produkty. Protony jsou nejčastějším částicemi, které se pro účely jaderné fyziky urychlují v urychlovačích (viz níže kapitolu "Urychlovače nabitých částic"). Počet protonů v atomovém jádře udává protonové (atomové) číslo Z, které zároveň určuje počet elektronů v atomovém obalu a tím i chemické vlastnosti atomu - pozici prvku v Mendělejevově periodické tabulce.
*) Tzv. grandunifikační teorie připouštějí nestabilitu protonu, který by se měl rozpadat na miony či pozitrony a na jeden neutrální či dva nabité piony [p+ ® (m+ nebo e+) + (po nebo p++p-)] s dobou života řádově tp»1030-1033 roků. Tento rozpad by byl způsoben přeměnou kvarku na lepton prostřednictvím bosonu X a vzhledem k obrovské hmotnosti bosonu X je jeho pravděpodobnost nesmírně malá. Experimenty zatím dávají odhady tp>1030 let. Tyto pokusy o pozorování rozpadu protonu se provádějí hluboko pod zemí (z důvodu odstínění kosmického záření), kde jsou umístěny velké nádrže s vodou, opatřené mnoha fotonásobiči, které by mohly zaregistrovat slabé záblesky způsobené průchodem rychlých částic vzniklých jako produkty rozpadu protonu. Nejdokonalejším zařízením tohoto druhu je Superkamioka-NDE v Japonsku, které sice nezaznamenalo žádný rozpad protonu, ale bylo velice úspěšné při detekci a spektrometrii neutrin (viz pasáž "Neutrina" v §1.2 "Radioaktivita").
Pozn.: Jiným hypoteticým a značně kuriózním mechanismem by mohl být rozpad protonu přes virtuální černou díru (§4.8 "Astrofyzikální význam černých děr" v monografii "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Černé minidíry vyzařují kvantovým Hawkingovým mechanismem částice, které jsou obecně jiné, než ty které černá díra pohltila; porušuje se zákon zachování baryonového čísla (§4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr" v téže knize). Pokud tedy dva kvarky v protonu spadnou do virtuální černé mikrodíry, je možné zpětné vyzáření např. antikvarku a leptonu, čímž se proton přemění na mion či elektron a pion.
Neutron no 
je elektricky neutrální, jeho klidová hmotnost m
n = 1,6748.10-27kg = 1838,65 me = 939,55MeV/c2 je o něco vyšší než u protonu. Ve stabilních atomových jádrech jsou neutrony stabilní, volný neutron (ve vakuu) se rozpadá s poločasem cca 13 minut b--rozpadem no ® p+ + e- + n'e na proton, elektron a antineutrino. S volnými neutrony se v pozemské přírodě běžně nesetkáváme, v horních vrstvách atmosféry jich menší množství vzniká při interakcích kosmického záření (§1.6, část "Kosmické záření"). Jsou však běžnými produkty jaderných reakcí a do jaderných reakcí též ochotně vstupují (§1.3, pasáž "Reakce vyvolané neutrony"). Intenzívními zdroji neutronů jsou jaderné reaktory, ať již štěpné (), nebo zatím pokusné fúzní termonukleární (§1.3, část "Štěpení atomových jader" a "Slučování atomových jader"). Jako laboratorní zdroje neutronů se konstruují specifické malé urychlovače nabitých částic (většinou deuteronů, s tritiovým terčíkem) zvané neutronové generátory (viz níže "Urychlovače nabitých částic", pasáž "Neutronové generátory"), nebo radioisotopové zdroje tvořené směsí a-zářiče s lehkým prvkem (jako je směs americia s beryliem, dochází k reakci a,n), či těžkým transuranovým radionuklidem (nejčastěji kalifornium 252), při jehož spontánním štěpení se uvolňují neutrony (§1.3, "Transurany").
Původ hmotnosti protonů a neutronů 
Protony a neutrony jsou mnohem těžší, než činí součet hmotností jejich kvarků. Např. proton má hmotnost 938MeV, zatímco hmotnost kvarku "u" je 2MeV a kvarku "d" 5MeV. Většina hmotnosti protonu proto pochází z kinetické energie vnitřního pohybu jeho kvarkových komponent. Vysvětluje se to na základě kvantových relací neurčitosti, podle nichž součin neurčitosti v poloze a hybnosti částice je větší než Planckova konstanta. Kvarky jsou v protonu či neutronu uzavřeny ("uvězněny") v prostorové oblasti o průměru cca 10
-13cm; tato vnuceně velmi malá neurčitost v poloze kvantově implikuje značnou hybnost a tím i kinetickou energii každého z kvarků, nejméně cca 200MeV. Bilance kinetické energie takových tří intenzívně kmitajících kvarků je přibližně ekvivalentní hmotnosti protonu.
  Kdyby všechny kvarky měly stejné hmotnosti, dalo by se čekat, že proton bude poněkud hmotnější než neutron, protože elektrický náboj protonu (který neutron nemá) přispívá k jeho vnitřní energii. Rozdíl v hmotnosti kvarků "u" a "d"
(který se v unitárních teoriích polí a částic vysvětluje interakcí s Higgsovým polem - viz níže) však způsobuje, že neutron (u,u,d) je poněkud "těžší" než proton (u,d,d). Tento rozdíl hmotnosti způsobuje nestabilitu volného neutronu, jeho b-rozpad na proton, elektron a neutrino působením slabé interakce.
Antičástice k protonům a neutronům 
Antiproton
p'
- se od protonu liší jen svým záporným nábojem a opačným směrem magnetického momentu, ve vakuu je rovněž stabilní částicí. Antineutron n'o je neutrální částicí jako neutron, od něhož se liší jen opačnou orientací magnetického momentu, poločas jeho rozpadu ve vakuu je stejný jako u neutronu, rozpadá se podle schématu n'o ® p'- + e+ + ne na antiproton, pozitron a neutrino.
   Antiprotony a antineutrony se v pozemské přírodě běžně nevyskytují, vznikají při interakci částic vysokých energií a zase pak zanikají interakcemi s nukleony. Vzhledem k zákonu zachování baryonového čísla mohou být antinukleony produkovány pouze v párech společně s nukleony. Nejobvyklejší způsob produkce antiprotonů p' je v reakcích
p + p
® 2p + p + p' , resp. p + n ® 2p + n + p' ,
přičemž prahová kinetická energie ostřelujícího protonu (v laboratorní terčíkové soustavě) činí asi 5,6GeV, resp. 3,6GeV; pokud však tato interakce probíhá při ostřelování jádra, může být prahová energie produkce antiprotonů i nižší (kolem 3GeV). Antineutrony vznikají v podobných reakcích p + p
® 2p + n + n' , resp. p + n ® p + 2n + n', dále pak v reakcích antiprotonů p' + p ® n + n', p' + n ® n + n' + p-.
  Při interakcích antinukleonů jsou nejdůležitěší interakce (p',p) antiprotonů s protony. Při vysokých energiích zde mohou vznikat i další těžké částice jako jsou hyperony, což bude zmíněno níže. Při nízkých energiích antiprotonů nebo při jejich zastavení (viz níže) dochází k zániku nukleonových párů s produkcí mezonů, kvant gama, popř. dochází k reakci p'+p
®n+n' ("výměna náboje"). Zánik párů (p',p) je silnou interakcí, při níž nejčastěji vznikají mezony p *) (jen v malém procentu mezony K); nejmenší počet vzniklých mezonů vzhledem k zákonu zachování hybnosti jsou 2 mezony p, většinou jich však vniká více, nejčastěji 5 mezonů - typická interakce tohoto druhu je: p' + p ® 2p+ + 2p- + po .
*) Vznik mesonů p při anihilaci antiprotonu s protonem je důsledkem kvarkové struktury: antikvarky v antiprotonu a kvarky v protonu se spojují do dvojic kvart-antikvark, což jsou mesony.
  Při vniknutí antiprotonu do látky dochází vlivem elektromagnetické interakce k ionizaci atomů, podobně jako u každé jiné nabité částice, čímž se antiproton brzdí a zpomaluje. Během tohoto zpomalování může antiproton zaniknout při interakci s jádrem, avšak může se zpomalit (či téměř zastavit) natolik, že může být zachycen protonem (vodíkovým jádrem) - vzniká nový "exotický atom", zvaný protonium, sestávající z protonu a antiprotonu obíhajících kolem společného těžiště. Podobně může být zachycen i jiným těžším jádrem na některé vyšší dráze (odkud vyrazil elektron) a při svém oběhu pak přechází na nižší dráhy, což je doprovázeno emisí buď fotonů X-záření, nebo Augerových elektronů. Nakonec je pohlcen jádrem a zanikne intrakcí s protonem či neutronem za vzniku pionů.
Antihmota
 
Antiproton, kolem něhož obíhá pozitron, tvoří atom "antivodíku", který má analogické vlastnosti jako obyčejný vodík. Antiprotony a antineutrony mohou vytvářet "anti-atomová jádra", kolem nichž mohou obíhat pozitrony v úplně stejných konfiguracích jako je tomu u příslušných obyčejných atomů - jedná se o "antiatomy", které by v rámci "antisvěta" měly úplně stejné chemické i spektroskopické vlastnosti jako naše atomy - tvořily by antihmotu -
(bylo diskutováno výše, pasáž "Antičástice, antihmota, antisvěty").
  
Antiproton byl objeven v r.1955 na urychlovači v Berkeley při ostřelování měděného terčíku protony urychlenými na 6,2GeV. V r.1956 byl objeven antineutron na témže urychlovači: se stejnou energií byl protony ostřelován beryliový terčík a vzniklé antiprotony byly vedeny do soustavy scintilátorů a Čerenkovova detektoru zapojených v antikoincidenci, kde reakcí p'+p®n+n' s vodíkovými jádry vznikaly antineutrony, které při interakci s nukleony v Čerenkovově detektoru byly registrovány jako intenzívní záblesky.

Fotony
Fotony jsou kvanta elektromagnetického záření. Mají nulovou klidovou hmotnost, pohybují se rychlostí světla *), jsou nositeli energie E = h.
n, kde h je Planckova konstanta a n je frekvence elektromagnetické vlny o vlnové délce l = c/n. Jsou bosony se spinovým číslem 1. Fotony vznikají při všech zrychlených pohybech elektricky nabitých částic (např. brzdné záření), emitují se při deeexcitacích v atomových obalech a atomových jádrech, kde odnášejí příslušný energetický rozdíl excitovaného stavu. Fotony záření gama dále vznikají při anihilacích pozitronů s elektrony (e++e-®2g), jakož i v řadě dalších interakcí elementárních částic. Zde uvažujeme většinou fotony vyšších energií - záření g.
*) Viz však teoretickou poznámku o možném vlivu kvantových fluktuací prostoročasu na rychlost tvrdého záření g v §1.6: "Pohybuje se vysokoenergetické g-záření pomaleji než světlo?".
  Interakce fotonů středních energií s látkou (fotoefekt, Comptonův rozptyl, tvorba e
-e+-párů) jsou popsány v §1.6. Fotony vysokých energií mohou svými interakcemi vyvolávat tzv. fotojaderné reakce, při nichž jsou z jader vyráženy neutrony, protony, popř. více nukleonů, deuterony, a-částice; nad prahovou energie záření gama asi 140MeV pak při interakci vznikají další částice, např. p-mesony: g + p ® n + p+, g + p ® p + po, a pod.
  
Fotony, jakožto kvanta elektromagnetického vlnění, fakticky zavedl A.Einstein v r.1905 při studiu fotoefektu (§1.1 "Atomy a atomová jádra", obr.1.1.1); vlastní název "foton" později navrhl americký chemik G.N.Lewis.

Neutrina a antineutrina (podrobněji viz odkaz "Neutrina - "duchové" mezi částicemi")
Jsou to všudypřítomné, avšak téměř nepolapitelné částice. Neutrina
n a antineutrina n' jsou nejlehčí a nejslaběji interagující ze všech známých druhů elementárních částic - náleží mezi leptony. Jsou to fermiony se spinovým číslem 1/2, nenesou elektrický náboj, nevykazují silnou interakci, ale pouze slabou interakci (a univerzální gravitační interakci, která nás zde z hlediska fyziky elementárních částic nezajímá, může však mít určité kosmologické důsledky). Rozeznáváme tři druhy neutrin: neutrino elektronové ne, mionové nm a tauonové nt, které se však mohou spontánně vzájemně přeměňovat při tzv. oscilaci neutrin. Neutrino jako takové je mixáží vlastních stavů ektronového, mionového a tauonového neutrina a proto dochází k periodické přeměně jednoho neutrina na druhé.
Elektronová neutrina vznikají typicky při vzájemných přeměnách neutronů a protonů
b-,+-rozpadem: no ® p+ + e- + n'e, p+ ® no + e+ + ne, mionová a tauonová neutrina pak při rozpadu mionů a tauonů: m- ® e- + n'e+ nm, t- ® nt + e- + n'e, t- ® nt + m- + n'e, ...... Neutrina kromě toho vznikají v řadě vzájemných interakcí elementárních částic, v nichž se uplatňují slabé interakce. Velké množství neutrin vzniká při termojaderných reakcích v nitru Slunce a hvězd, odkud díky své velmi slabé interakci snadno pronikají ven a jsou vyzařovány do okolního prostoru. Zvláště silný "záblesk" neutrinového záření vzniká při výbuchu supernovy - viz §4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Ve vesmíru se nachází i obrovské množství tzv. reliktních neutrin pocházejících z leptonové éry vesmíru těsně po velkém třesku. Neutrina patří, spolu s fotony, mezi nejhojnější částice ve vesmíru. Vlastnosti neutrin, jejich vznik, metody detekce a příp. kosmologický význam neutrin, jsou podrobněji popsány v §1.2 "Radioaktivita", část "Neutrina - "duchové" mezi částicemi".
  
Neutrina byla jako hypotetické částice zavedena W.Paulim r.1930 při studiu energetické bilance b-rozpadu (viz §1.2, část "Radioaktivita beta", obr.1.2.3), jejich název a specifikace vlastností pocházejí od E.Fermiho. Experimentálně byla neutrina prokázána až v r.1956 experimenty nastíněnými ve zmíněném odkazu "Neutrina".

Miony m a tauony t
Miony
m- a m+
(jsou to vzájemně antičástice), označované též jako "těžké elektrony", jsou středně těžké částice s hmotností m
m = 206 me, nesou záporný nebo kladný elektrický náboj stejné velikosti jako je elementární náboj elektronu; neexistují neutrální miony bez elektrického náboje. Miony jsou nestabilní částice, které se s poločasem »2.10-6s rozpadají na elektron, resp. pozitron, a dvě neutrina: m- ® e- + n'e+ nm , m+ ® e+ + ne+ n'm. Tento rozpad má charakter slabé interakce a je podobný radioaktivnímu rozpadu beta; rovněž energetické spektrum elektronů nebo pozitronů je spojité, maximální energie činí »53MeV.
  Miony se v pozemské přírodě vyskytují v sekundárním kosmickém záření. Vznikají ve vyšších vrstvách atmosféry (nad 10km) při srážkách protonů a dalších částic primárního kosmického záření s protony a neutrony jader dusíku a kyslíku v atmosféře. V těchto primárních srážkách vznikají nejdříve p-mezony, které se během cca 2,5.10-8s rozpadnou na miony, které se s kinetickou energií cca 4MeV pohybují relativistickou rychlostí. Vzhledem ke své době života »2.10-6sekundy by podle klasické mechaniky mion uletěl jen zhruba 500metrů a pak se rozpadl - na povrch Země by tedy prakticky žádné miony neměly dopadnout. Díky relativistické dilataci času však mion z hlediska pozorovatele na Zemi "žije déle" a má dost času, aby dopadl na povrch Země. Tento experimentální fakt, že mion uletí dráhu 20-krát delší než by v klasické mechanice odpovídalo jeho době života, je přesvědčivým důkazem efektu zpomalování toku času podle speciální teorie relativity.
  Nejčastější způsob vzniku mionů je při rozpadu
p-mezonů: p- ® m- + n'm , p+ ® m+ + nm (viz následující pasáž "Mezony p a K"). Interakce mionů s nukleony probíhají podle schématu: m- + p ® n + nm , m+ + n ® p + nm , .....
  Vnikne-li záporný mion
m- do látky, může být (po svém zpomalení ionizací) zachycen Coulombovým polem jádra a vytvořit svéráznou vázanou soustavu podobnou atomu - tzv. mionový atom nebo mezoatom. Kladný mion m+ prolétající látkovým prostředím může zase zachytit elektron a vytvořit nestabilní vázanou soustavu mionu m+ a obíhajícího elektronu e-, zvanou mionium; je to soustava analogická pozitroniu a má strukturu podobnou vodíkovému atomu.
  
Mion m byl objeven v r.1936 C.D.Andersonem a S.H.Neddermeyerem při studiu kosmického záření ve Wilsonově mlžné komoře (podobně jako pozitron).
Tauony t- a t+
(jsou to vzájemně antičástice), označované též jako "supertěžké elektrony", jsou velmi těžké částice s hmotností m
t » 3484me » 1177MeV/c2, nesou záporný nebo kladný elektrický náboj stejné velikosti jako je elementární náboj elektronu. Tauony jsou vysoce nestabilní částice, které se s poločasem »3.10-13s rozpadají na elektron nebo mion a dvě neutrina: t- ® e- + n'e+ nt , t- ® m- + n'm+ nm. Vzhledem ke své vysoké klidové hmotnosti jsou však tauony schopné rozpadat se i na hadrony, především piony p-, p+, po.
  Tauon t byl objeven v letech 1974-77 týmem pod vedením M.Perla při experimentech s vysokoenergetickými srážkami pozitronů a elektronů ve vstřícných svazcích urychlovače ve Stanfordu. Při srážkách elektronů s pozitrony docházelo ke vzniku dvojic t+ a t-, které se rozlétly jen na krátkou vzdálenost (cca 1mm) a vzápětí se rozpadaly na elektrony, miony a neutrina. Vznik tauonů byl prokázán na základě detekce nabitých částic, analýzou jejich energií a úhlového rozložení (metodikou zmíněnou výše "Analýza dynamiky interakcí částic").

Mezony p a K
p-mesony (nazývané též piony)
jsou nejčastějším druhem nových sekundárních částic, vznikajících částicovými interakcemi při vysokých energiích převyšujících cca 300MeV; při ještě vyšších energiích (nad
»1GeV) pak vznikají i K-mesony a hyperony.
  Mesony
p a K mají následující společné vlastnosti: jsou to středně těžké částice se spinem 0 (patří tedy mezi bosony), vykazují silné interakce (jsou hadrony) a jsou nestabilní. Podle standardního modelu částic jsou tvořeny vázaným kvarkem a antikvarkem.
  Nabité mesony
p- a p+, které jsou vzájemně antičásticemi, nesou záporný či kladný elementární náboj stejné velikosti jako elektron, mají klidovou hmotnost »2,4898.10-25g » 273me » 140MeV/c2 a s poločasem »2,55.10-8s se rozpadají (slabou interakcí) na miony a neutrina: p- ® m- + n'm , p+ ® m+ + nm (miony se pak dále rozpadají na elektrony a neutrina). Při tomto rozpadu se uvolňuje kinetická energie (mp-mm).c2 » 34MeV, z čehož mion m odnáší menší část cca 4,2MeV a zbytek kinetické energie necelých 30MeV získává mionové neutrino nm.
  Neutrální meson
po má klidovou hmotnost »264me » 135MeV/c2 a s velmi krátkým poločasem rozpadu »0,9.10-16s se rozpadá (elektromagnetickou interakcí) na dvě kvanta gama: po ® g + g.
Pozn.: Z hlediska vnitřní struktury jsou mesony vázaným systémem kvark-antikvark. Tento systém je však nestabilní a jeho rozpad můžeme zjednodušeně chápat jako proces "anihilace" kvark-antikvarkové dvojice; buď slabou interakcí přes intermediální boson W±, nebo elektromagneticky přímo na kvanta g (srov. příslušný Feynmanův diagram na obr.1.5.1). Je to trochu analogické jako u výše zmíněného pozitronia, které je též nestabilním vázaným stavem dvojice částice-antičástice (e--e+), které anihilují na kvanta g.
   p-mesony sehrály pestrou a zajímavou úlohu v historii jaderné fyziky. Dlouhou dobu (40.-70.léta) byly považovány za výměnné částice, zprostředkovávající silné jaderné interakce krátkého dosahu protonů a neutronů v jádrech atomů (pochází od H:Yukawy). Zdála se tomu nasvědčovat i skutečnost, že při vysokoenergetických srážkách protonů a neutronů pravidelně vznikají piony. Idea p-mezonů jako nositelů silné intrakce se však nakonec neosvědčila. Ukázalo se, že podstata silné interakce leží hlouběji - tkví ve vnitřní kvarkové struktuře protonů a neutronů. Při interakcích protonů a neutronů vznikají piony nikoli jako výměnné částice, ale proto, že p-mesony jsou lehčí a jednodušší částice složené rovněž z kvarků (a jejich antičástic), stejně jako nukleony. Přesto však jsou p-mesony nejdůležitější ze všech nestabilních "exotických" částic; mohou mít dokonce praktické využití, viz např. §3.6, část "Hadronová radioterapie".
Mesony K,
zvané též kaony, jsou více než 3-krát těžší než
p-mesony.
  Nabité mesony K
+ a K-, které jsou vzájemně antičásticemi, nesou kladný či záporný elektrický náboj stejné velikosti jako elektron, mají klidovou hmotnost »966,6me » 494MeV/c2 a s poločasem »1,24.10-8s se rozpadají na p-mesony, miony a neutrina: K+®p++po, K+®m++n, K+®p++p++p-, K+®p++po+po, K+®po+m++n, K+®po+e++n; analogicky (sdruženě) i K-.
  Neutrální meson K
o má hmotnost »974,2me » 498MeV/c2 a velmi rychle se rozpadá na p-mesony a též na miony, elektrony a neutrina dvěma druhy rozpadů:
dvoučásticové rozpady: K
o®p++p-, Ko®po+po, - (poločas »0,9.10-10s);
tříčásticové rozpady: K
o®po+po+po, Ko®p++p-+po, Ko®p+,-+m-,++n, Ko®p-,++e+,-+n, - (poločas »5,7.10-8s).
  
To, že se meson Ko rozpadá s dvěma různými poločasy a různými pochody, lze vysvětlit předpokladem, že meson Ko je kvantovou "směsí" dvou neutrálních částic KoL ("Long") a KoS ("Short"), které mají různé doby života a různá schémata rozpadu. Tyto skutečnosti se interpretují tak, že pozorovaný meson Ko je vnitřně "směsí" či superpozicí Ko a jeho antičástice K'o. Mezi těmito dvěma stavy neutrální kaon spontánně "osciluje".
Interakce mesonů p a K
Mesony
p- a p+ interagují při nízkých energiích s nukleony především reakcemi: p- + p ® n + g, p+ + n ® p + g, při vysokých energiích pionů pak dochází i ke sdružené produkci kaonů, hyperonů a antihyperonů, např. p- + p ® K+ + K- + n, p- + p ® L + Ko, a pod. - další reakce viz níže v odstavci o hyperonech.
  Při interakci s látkou mohou být
p--mesony (po příslušné zabrzdění ionizačními ztrátami energie) zachycovány na orbitě kolem jádra (podobně jako elektrony v atomu), takže na na velmi krátkou dobu se vytvoří mesoatom s pionem p-, který je pak pohlcen jádrem a tam se sloučí s protonem (p-+p®n+g).
Vznik mesonů
p a K
p-mesony vznikají především jako nové sekundární částice při interakcích protonů s nukleony, pokud kinetická energie v laboratorní (terčíkové) soustavě je vyšší než 2.mp.c2 » 300MeV. Reakcí tohoto typu může být několik:
p+p
® p+n+p+, p+p ® p+p+po, p+n ® n+n+p+, p+n ® p+p+p-,
p+n
® p+n+po, n+n ® n+p+p-, n+n ® n+n+po , ....,
přičemž tyto reakce mohou probíhat jak na volných nukleonech, tak na nukleonech vázaných v jádře. Piony mohou být také produkovány fotojadernými reakcemi tvrdého záření gama:
g+p ® n+p+, g+p ® p+po, jejichž prahová energie záření gama činí zhruba mp.c2 » 140MeV.
  Mesony K vznikají tzv. asociovanou produkcí ve dvojicích buď spolu, nebo ve dvojicích s hyperony, a to buď při vzájemných interakcích nukleonů, nebo
p-mesonů s nukleony. Příklady takových interakcí jsou: p+p ® L+K++p, p-+p ® K++K-+n, p-+p ® L+Ko, atd.; další kombinace s hyperony jsou uvedeny v následujícím odstavci.
Podivnost částic 
Uvedené mezony K, jakož i níže zmíněné hyperony, mají některé zvláštní - "podivné" - vlastnosti, s nimiž se nesetkáváme u ostatních částic. Jedná se o nesymetrie při produkci a rozpadu těchto částic. Tyto částice vznikají ve vysokoenergetických hadronových srážkách s vysokou pravděpodobností - párová produkce silnou interakcí. Jejich rozpad však většinou probíhá poměrně pomaleji (řádově 10
-10s) pomocí slabé interakce. K vysvětlení této situace byla zavedena nová veličina či (aditivní) kvantové číslo nazvané podivnost S (Strange - pro běžné částice je S=0, podivné částice mají S=±1,±2, hyperon W dokonce S=-3), které se zachovává při silných interakcích, ale při slabých interakcích se nezachovává. Je tím vysvětleno, že při silných interakcích běžných částic vznikají podivné částice ve dvojicích, jejichž součet podivnosti je nulový, avšak slabou interakcí se podivné částice mohou rozpadat i na částice bez podivnosti.
  Pro vysvětlení v rámci kvarkového modelu hadronů byl zaveden nový kvark "s" (strange), který je nositelem podivnosti; s má podivnost S=-1, antikvark s' má S=1, ostatní kvarky S=0. Přítomnost kvarku "s" v dvoukvarkové kombinaci je charakteristická pro podivné mezony K, pokud se "s" vyskytuje v tříkvarkové kombinaci, jedná se o hyperony - obr.1.5.3.

Hyperony
Nejtěžší dosud známé částice, vznikající při částicových interakcích za vysokých energií, jsou hyperony. Všechny hyperony jsou fermiony, většinou se spinem 1/2, s výjimkou
W- který má spin 3/2. Všechny hyperony jsou dále hadrony vykazující silnou interakci a jsou to částice vysoce nestabilní s velmi krátkou dobou života. Známe 7 druhů hyperonů (+ jejich antičástice), které zde stručně vyjmenujeme:
Hyperon
Lo je elektricky nenabitý, má hmotnost »2183me » 1116MeV/c2, dobu života »2,5.10-5s a rozpadá se podle schémat: L ® p + p- (66%), L ® n + po (34%).
Hyperon
S+ s kladným elementárním nábojem má hmotnost »2327me » 1189MeV a s poločasem »0,8.10-10s se rozpadá na nukleony a piony: S+ ® p + po, S+ ® n + p+.
Hyperon
S- se záporným elementárním nábojem má hmotnost »2340me » 1197MeV a s poločasem »1,65.10-10s se rozpadá na neutron a pion: S- ® n + p-.
Hyperon
So bez elektrického náboje má hmotnost »2332me » 1193MeV a s velmi krátkým poločasem blízkým 10-20s se rozpadá na hyperon lambda a foton gama: So ® L + g.
Hyperon
X- se záporným nábojem má hmotnost »2585me » 1321MeV a s poločasem »1,7.10-10s se rozpadá na hyperon lambda a pion: X- ® L + p-.
Hyperon
Xo bez elektrického náboje má hmotnost »2566me » 1315MeV a s poločasem »3.10-10s se rozpadá na hyperon lambda a pion: Xo ® L + po.
Hyperon
W- se záporným nábojem má hmotnost »3405me » 1675MeV/c2 a s poločasem »1,5.10-10s se rozpadá na hyperony a mesony: W- ® Xo,- + p-,o, W- ® L + K-.
Pozn.: Ve velmi malém procentu případů byly pozorovány i další možnosti rozpadu hyperonů, např. p+e-+n, S+®p+g, Xo®p+p-, a řada dalších.
Hyperjádra 
  Hyperony vykazují silné interakce, takže mohou vstupovat do jader a být tam navázány jadernými silami - vznikne tzv. hyperjádro či hyperfragment. V typickém hyperjádře je jeden z neutronů nahrazen hyperonem
Lo; takové hyperjádro se pak značí NAL. Např. v jaderných emulzích ozařovaných mesony K- z urychlovače byla pozorována hyperjádra 9BeL. Hyperjádra jsou nestabilní útvary, které se rozpadají dvojím způsobem: mesonovým rozpadem nebo nukleonovým rozpadem. Při mesonovém způsobu se hyperon L uvniř jádra rozpadne podle schématu p+p-, nebo n+po, takže např. hyperjádro 9BeL se rozpadne na meson p-, proton p+ a jádro 8Be4 (které se pak v tomto případě rozpadá na dvě alfa-částice 4He2). Při nukleonovém rozpadu dochází k reakcím L+p®p+n, nebo L+n®n+n, takže např. zmíněné hyperjádro 9BeL by se rozpadlo způsobem: 9BeL®4He+3He+n.
Antihyperony 
Podobně jako k nukleonům existují antinukleony, i ke každému z uvedených hyperonů existuje příslušný antihyperon (všechny tyto hyperony jsou samostatné, nejsou vzájemně antičásticemi jako je to kupř. u mesonů
p- a p+ či m- a m+). Podle principu nábojové symetrie mají antihyperony stejné hmotnosti, spin a dobu života jako hyperony, avšak opačná znaménka el. náboje, baryonového čísla a magnetického momentu. Rozpadová schémata antihyperonů jsou rovněž nábojově sdružená s rozpadovými schématy hyperonů a rovněž i reakce částic, při nichž antihyperony vznikají, jsou analogické jako u hyperonů (dochází často k "asociované" produkci hyperonů a antihyperonů či mesonů - viz níže). Je třeba mít na paměti, že antihyperony k nabitým hyperonům mají opačná znaménka el. náboje, např. antihyperon S'- má kladný jednotkový náboj, takže přesněji bychom jej mohli označit jako (S'-)+.
  Hyperony vznikají při interakcích protonů, antiprotonů,
p a K mesonů s nukleony při vysokých energiích (>»5GeV), přičemž v silných interakcích typu (nukleon+nukleon) nebo (p+nukleon) vznikají současně dvě částice ze skupiny mesonů a hyperonů (meson+meson, meson+hyperon, hyperon+antihyperon) - dochází ke sdružené či asociované produkci hyperonů, antihyperonů a mesonů, např.:
p + p
® 2p + L + L' , p + p ® p + L + K+ ,
............
.............
.............
K
- + p ® W- + K-+ Ko ,
  
Dráhy hyperonů, resp. jejich rozpadových produktů, jsou pozorovány ve Wilsonových mlžných komorách, jaderných fotoemulzích a bublinových komorách. Již v r.1947 pozorovali G.D.Rochester a C.C.Butler při studiu kosmického záření ve Wilsonově mlžné komoře dráhy dvou částic vylétajících z jednoho bodu - další výzkumy ukázaly, že šlo o meson Ko rozpadající se na mesony p- a p+ a o hyperon L rozpadající se na proton p+ a meson p-. Když pak urychlovače s dostatečně velkou energií umožnily vytvářet svazky protonů a mesonů p, byly při studiu jejich interakce v bublinových komorách a fotoemulzích objeveny všechny další hyperony a zákonitosti jejich asociované produkce s mesony K.

Rezonance
Vznikají při některých interakcích vysokoenergetických částic (jako je
p+,- + p+ ® p+,- + p+, nebo interakce protonu s antiprotonem za vzniku několika p-mezonů) a okamžitě se rozpadají, jejich doba života činí asi 10-23 až 10-20 sekundy. Projevují se vlasně jen výrazným rezonančním maximem v energetické závislosti účinného průřezu dané interakce, nebo zhuštěninami a píky na Dalitzově diagramu energií sekundárních částic, které naznačují vznik nějakého dočasně vázaného stavu. Rozeznáváme baryonové rezonance a mezonové rezonance (jako je mezon r nebo některé druhy mezonů *K). Rezonance se mnohdy ani za zvláštní částice nepovažují, označují se jako kvazičástice. Jsou to spíše jen dočasně excitované stavy vzniklé při interakci dvou či více baryonů nebo mezonů, které se rozpadají okamžitě, jakmile vyletí za hranice oblasti silné jaderné interakce, v níž vznikly. Vzhledem k extrémně krátké době života nemají patrně žádný význam pro stavbu a vlastnosti hmoty. Jejich studium je však důležité pro lepší proniknutí do subnukleární struktury hadronů, jejich kvarkové struktury a pochopení vlastností silných interakcí v rámci kvantové chromodynamiky (QCD). Některé mezonové a baryonové rezonance jsou vyznačeny níže na kvarkovém diagramu na obr.1.5.3.

Bosony W-,W+,Zo
W-bosony jsou intermediální částice zprostředkující slabou interakci (Weak int.) v rámci Weinbergova-Salamova modelu sjednocení elektromagnetické a slabé interakce. W
- a W+ nesou záporný a kladný elementární náboj stejné velikosti jako elektron, mají hmotnost »82GeV/c2, jsou vzájemně svými antičásticemi. W-bosony zprostředkovávají vzájemné b-přeměny neutronů a protonů (podle schématu na obr.1.2.5 v §1.2 "Radioaktivita", pasáž "Mechanismus rozpadu b. Slabá interakce."). Při této radioaktivitě b způsobují W-bosony přeměny kvarků uvnitř nukleonů, přičemž samotné W zůstávají virtuální. Neutrální Zo boson má hmotnost »93GeV. Pokud W či Z vzniknou při vysokoenergetické interakci částic, jsou vysoce nestabilní a vzápětí se rozpadají na leptony a neutrina; typicky: W-® e- + n', W+® e+ + n, Zo® m+ + m- (nebo e+ + e-). Při velmi vysokých energiích je řada dalších možností jejich interakcí, včetně produkce těžkých částic jako jsou Higgsovy bosony. Feynmanovy diagramy některých důležitých interakcí bosonů W±,Z0 jsou zakresleny na obrázcích 1.5.1.D,F,G,H,I. Částicové interakce způsobené výměnou nabitých intermediálních bosonů W+,- se někdy označují jako "slabé nabité proudy", reakce způsobené nenabitým Zo bosonem jako "slabé neutrální proudy".
Intermediální bosony W-,W+,Zo byly experimentálně prokázány v.1983 při interakcích ve vstřícných proton-antiprotonových svazcích 270GeV«270GeV collideru velkého protonového synchrotronu v CERN.

Hypotetické a modelové částice
Pro úplnost zde nakonec letmo zmíníme i některé "exotické" částice, které by měly existovat podle určitých více či méně ověřených teorií a modelů, avšak nebyly dosud experimentálně prokázané - zůstávají částicemi hypotetickými.
Kvarky
jsou modelové "stavební" částice hadronů
(jak je nastíněno níže - "Kvarková struktura hadronů"). Kvarky jsou fermiony se spinem 1/2 a nesou třetinový elektrický náboj -(1/3)e, +(2/3)e. Bylo zavedeno celkem 6 druhů kvarků, každý má svou antičástici - antikvark. Jednotlivé kvarky a kvarkový model hadronů je stručně popsán níže. Kvarky jsou primárními nositeli silné interakce, zprostředkované gluony. Zároveň však mohou podléhat vzájemným vnitřním transmutacím za působení slabé interakce, zprostředkované intermediálními bosony W-,W+,Zo (hlavním projevem této transmutace kvarků je radioaktivita b, viz obr.1.2.5). Volné kvarky nebyly nikdy pozorovány - viz následující odstavec "Gluony" a níže pasáž "Kvark-gluonová plasma".
Gluony (angl. glue=klih, lepidlo - drží kvarky "slepeny" pohromadě v hadronech)
jsou částice, které zprostředkovávají silné interakce mezi kvarky (a svými "zbytkovými projevy" i jaderné interakce mezi nukleony). Jsou to bosony se spinem 1, mají nulovou klidovou hmotnost, nemají elektrický náboj, nesou však tzv. "barevný náboj" *), charakterizující různé druhy kvarků. Podobně jako foton, nemá gluon antičástici (je svou vlastní antičásticí). Gluonová interakce kvarků má zvláštní vlastnosti. Pokud mají kvarky vysokou energii a jsou blízko u sebe, gluonová interakce téměř nepůsobí a kvarky se chovají jako volné částice - tzv. asymptotická volnost. Avšak když se kvarky od sebe vzdálí na cca 10
-13cm, začnou gluonové interakce intenzívně působit a silně svazují kvarky k sobě - dochází k "uvěznění" kvarků v hadronech. Další diskuse je níže v pasáži "Kvark-gluonová plasma".
*) Foton, který zprostředkovává elektromagnetickou interakci, sám nenese náboj této interakce (elektrický náboj); fotony mezi sebou neinteragují. Gluony však nesou "barvu" - náboj silné interakce, takže mohou mezi sebou interagovat. Mohly by teoreticky vytvářet i vázané systémy - tzv. gluonium.
Preony - jsou hypotetické sub-kvarkové částice, z nichž by se mohly skládat kvarky (viz níže pasáž "Preonová hypotéza").
Gravitony
jsou kvanta gravitačního vlnění. Gravitační vlny předpovídá obecná teorie relativity jakožto fyzika gravitace a prostoročasu; jsou řešením Einsteinových rovnic gravitačnho pole, podobně jako z Maxwellových rovnic elektrodynamiky plyne existence elektromagnetických vln. Gravitační vlny se od elektromagnetických liší jednak svým velmi nepatrným působením na látku, jednak svým tzv. kvadrupólovým charakterem. Hypotetický graviton má nulovou klidovou hmotnost, pohybuje se rychlostí světla, jeho spinové číslo je 2.
  Gravitační vlny se zatím nepodařilo přímo detekovat, jsou prokázány jen nepřímo. Na experimentální prokázání gravitonů není naděje v dohledné budoucnosti. O gravitačních vlnách pojednává podrobně §2.7 "Gravitační vlny" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Skeptická poznámka k reálnosti existence gravitonů je tam v pasáži"Gravitony - kvanta gravitačního vlnění?".
Higgsovy bozony
- jsou to kvanta tzv. Higgsova-Kibleova *) skalárního pole, které se v kalibračních unitárních teoriích pole zavádí do lagrangiánu za účelem tzv. spontánního narušení symetrie elektroslabé interakce
(viz např. §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Toto pole vede též k tomu, že některé intermediální bozony získají hmotnost (klidovou) a příslušné interakce se stanou silami krátkého dosahu - jsou to především W a Z bosony (elektro)slabé interakce. V tomto Higgsově mechanismu klidová hmotnost částic vzniká interakcí s všude přítomným Higgsovým polem, které proniká celým vesmírem; čím je interakce dané částice s tímto polem silnější, tím má větší hmotnost. Některá kvanta, jako fotony, toto pole neovlivňuje a proto nemají žádnou klidovou hmotnost, další částice Higgsovo pole přitahuje a dodává jim hmotnost. Dalo by se tím vysvětlit, proč jsou některé intermediální bosony tak těžké, zatímco jiné částice, např. elektrony, jsou velmi lehké. Zjednodušeně řečeno, Higgsovy bosony by měly být součástí neviditelného kvantového pole, které vyplňuje vakuum ve vesmíru a způsobuje, že ve vesmíru jsou hmotné částice vytvářející látkové struktury; bez nich by neexistoval svět v podobě, jak jej známe. Pokud by některé základní stavební částice hmotnost nezískaly, vesmír by vypadal zcela jinak: Částice bez klidové hmotnosti by volně létaly vesmírem rychlostí světla a nikdy by nevytvořily atomy, z nichž pak vznikaly hvězdy, planety a život...
*) Tuto hypotézu poprve zavedli v r.1964 ve svých pracech autoři P.Higgs, F.Englert a R.Brout, G.Guralnik, C.Hagen a T.Kibble. Higgsovo pole v r.1967 využili S.Weiberg, A.Salam a S.Glashow při vybudování teorie elektroslabé interakce s těžkými intermediálními bosony W
±,Z°.
  Samotný Higgsův boson H má vysokou klidovou hmotnost, řádově stovky GeV *). Higgsovy bosony by mohly vznikat silnou interakcí při vysokoenergetických srážkách protonů výměnnou interakcí energetických kvarků s gluony či W-bosony (tzv. gluonová fúze, obr.1.5.1.I, W nebo Z fúze, popř. sdružená produkce s W nebo s t-t' párem), nebo elektro-slabou interakcí při srážkách elektronů např. interakcí e++e-®Z*®Z+H (H-vyzáření), nebo opět W či Z fúzí - viz obr.1.5.1.D. Higgsovy bosony jsou vysoce nestabilní částice s dobou života pouhých cca 10-22s. Nemohou být tedy detekovány přímo, ale jen na základě analýzy sekundárních částic vznikajících při jejich rozpadu - jejich rozpadových produktů. Pokud Higgsův boson vznikne při vysokoenergetické interakci částic (což se dosud nepodařilo uskutečnit, naděje jsou vkládány do budovaného urychlovače LHC), předpokládá se, že se velmi rychle rozpadne na jiné energetické částice. Nejjednodušší rozpad H ® g + g na dva fotony gama by mohl nastávat již při nižších hmotnostech kolem 100GeV. Pokud má Higgsův boson hmotnost vyšší než 160GeV, může se rozpadat i na dva W-bosony: H ® W + W, které se vzápětí rozpadají na dva leptony a dvě neutrina (jak bylo zmíněno výše v pasáži "Bosony W-,W+,Zo"). Při hmotnosti H vyšší než cca 180GeV může rozpad vést na dva Z-bosony: H ® Z + Z, které se rozpadají na 4 leptony - po dvojicích mionů m++m- nebo elektronů e++e-. V případě, že Higgsův boson je těžší než cca 500GeV, mohou nastávat i další způsoby jeho rozpadu, např. H ® b+b', nebo H ® t++t- , další mohou, ale nemusí jít přes intermediální Z-bosony; nakonec mohou vyústit v produkci kvarků, jejichž hadronizací by vznikaly spršky (výtrysky - jety) částic. Feynmanovy diagramy některých možností vzniku Higgsových bosonů a jejich rozpadu jsou uvedeny výše v pasáži "Feynmanovy diagramy " (na obrázku 1.5.1.D,I).
*) Srážkové experimenty (na urychlovačích Tevatron a LEP - viz níže "Velké urychlovače") dávají pouze dolní hranici pro hmotnost Higgsova bosonu cca 170GeV/c2. Ostatně, podle supersymetrických modelů by mohlo existovat několik druhů Higgsových bosonů: lehké skalární ho, těžké skalární Ho, kladně a záporně nabité H±.
Objev Higgsova bosonu 
Na konferenci ICHEP2012 v australském Melbourne 4.července 2012 byl na základě dat z experimentů ATLAS a CMS v CERN oznámen objev nového bosonu, jehož vlastnosti jsou konsistentní s Higgsovým bosonem. Pečlivou analýzou asi 60 tisíc případů detekce dvojic fotonů (pocházejících ze srážek vysokoenergetických protonů) se na křivce závislosti počtu fotonů na energii podařilo najít malý
(ale signifikantní, asi 160 dvojic fotonů) pík v oblasti energie kolem 126GeV. Tento pík by měl patrně pocházet z 2-fotonového rozpadu Higgsových bosonů. Úroveň spolehlivosti prokázání nové částice detekcí jejích rozpadových produktů je 5s. Je třeba provést další experimenty, aby bylo jisté, že jde o Higgsův boson a nikoli jinou dosud neznámou částici. Za tento objev byla v r.2013 udělena Nobelova cena P.Higgsovi a F.Englertovi.
Higgsův boson - "božská" částice ?
 
V popularizační literatuře se často uvádí novinářský bonmot, že Higgsův boson je jakousi "božskou částicí", která dává vesmíru hmotnost. Není to tak docela pravda. Více než 99% běžné ("zářivé") hmoty, z níž je složen vesmír, běžná látka i naše těla, je tvořeno protony a neutrony. Ty se skládají z kvarků, jejichž hmotnost, související s Higgsovým mechanismem, představuje jen cca 5% hmotnosti protonů a neutronů. S Higgsovým polem podstatně souvisí hmotnost jen bosonů W a Z a hmotnosti leptonů; ty však představují jen malou část hmotnosti Vesmíru. Důležitost Higgsova bosonu spočívá v tom, že to byla poslední dosud neobjevená částice standardního modelu, jejíž objev potvrzuje (jinak nezjistitelné) Higgsovo pole, bez kterého by standardní model neuměl vysvětlit experimentálně naměřené hmotnosti leptonů, kvarků a intermediálních bosonů - nosičů sil.
Supersymetrické částice  
V supersymetrických unitárních teoriích elementárních částic je ke každé základní částici přiřazen její tzv. superpartner - každý boson má svého fermionového superpartnera a fermion má naopak svůj bosonový protějšek. Tyto "partnerské" částice nebyly zatím pozorovány. Vysvětluje se to tím, že boson-fermionová supersymetrie je narušená; vede to k tomu, že hmotnost superpartnerů není stejná, ale supersymetričtí partneři ke známým částicím mají hmotnost daleko vyšší, takže při nám dostupných energiích je nemůžeme pozorovat. Názvy těchto částic se vytvářejí příponou "ino" (u bosonů zprostředkujících interakce), nebo předponou "s-" (u fermionů) k názvu výchozí částice. Nejčastěji diskutované supersymetrické částice jsou gravitina, fotina, příp. neutralina:
Gravitina
jsou kvanta kalibračního pole v supergravitační unitární teorii pole (superpartner gravitonu), mají spin 3/2 nebo 5/2.
Fotina
jsou slabě interagující hmotné částice se spinem 1/2, zaváděné jako supersymetrický partner fotonu.
s - částice
Někdy se diskutují i supersymetrické částice k dalším fermionům:
s-leptony jako superpatneři k leptonům, např. s-elektron, s-mion, s-neutrino (zvané též neutralino - mělo by mít vysokou hmotnost desítky či stovky GeV); či kvarkům - s-kvarky.
Higgsino - supersymetrický fermion k Higgsovu bosonu.
Další hypotetické částice:  
Axiony
jsou velmi lehké
(klidová hmotnost cca 10-5-1 eV/c2) hypotetické částice se spinem 0, které by s okolím měly interagovat gravitačně a elektromagneticky. V rámci kvantové chromodynamiky se zavádějí při řešení CP-problému narušení kombinace nábojové symetrie a parity v teorii kvarků. CP symetrie, která je narušena u slabých interakcí, by z teoretického hlediska měla být narušena i pro silnou interakci. Jelikož se toto experimentálně nepozoruje, byla do kvantové chromodynamiky zavedena dodatečná symetrie (která je spontánně narušena), kvanta příslušného pole jsou nový typ částic nazvaných axiony. Jejich supersymetričtí partneři se nazývají axina.
V poslední době se diskutují určité možnosti, jak by snad bylo možno takové částice detekovat. Interakce axionu s velmi silným magnetickým polem by mohla vést k produkci kvanta elektromagnetického záření - mikrovlnného fotonu.

WIMP
Výše uvedené (zatím hypotetické) částice - gravitina, fotina, axiony - se někdy souhrnně označují jako "slabě interagující hmotné částice" - zkratka WIMP (Weak Interacting Mass Particle). S okolím interagují slabě a gravitačně. Předpovídá je supersymetrické rozšíření standardního modelu. Mohly by tvořit podstatnou složku tzv. temné hmoty ve vesmíru (viz např. §5.6 "
Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
Magnetické monopóly
- hypotetické částice duální vůči elektrickému náboji. Magnetický monopól vzniká při záměně elektrických a magnetických veličin v Maxwellových rovnicích a aplikaci kvantové teorie pole.
Klasická teorie elektromagnetického pole magnetické monopóly nepřipouští: jedna z Maxwellových rovnic div B = 0 říká, že magnetické pole je nezřídlové s uzavřenými siločárami, tj. magnetické monopóly neexistují (viz např. §1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Magnetické monopóly byly zavedeny jako pokus o (aspoň hypotetické) zrovnoprávnění, či nastolení symetrie, elektřiny a magnetismu.
Leptokvarky X,Y
- hypotetické vektorové bosony X a Y (zvané leptokvarky, protože způsobují přechody mezi kvarky a leptony) se zavádějí v tzv. grandunifikačních teoriích GUT
(již zmíněný §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Měly by mít velmi vysoké hmotnosti řádově mX,Y ~1015GeV/c2.
Superstruny

jsou hypotetické (modelové) jednorozměrné elementární útvary délky řádu 10
-33cm (Planckova délka), jejichž různě excitované vibrační stavy a vzájemná propojení by podle tzv. teorie superstrun měly být základem veškerých částic a polí - základem unitární teorie pole sjednocující všechny 4 interakce v přírodě. Struny mohou být otevřené nebo uzavřené. Podle způsobu kmitání strun vzniká různá hmotnost, náboj, spin a pod. Takovéto struny by pak mohly tvořit základní částice (fermiony - kvarky, elektrony, ... a bosony - fotony, gluony, ...) standarního modelu.
  Zobecněním superstrun jsou tzv. p-brány, které mohou mít více (p) prostorových dimenzí a vyvíjejí se ve vícerozměrném (většinou 11-rozměrném) prostoročase. O teorii superstrun je stručně pojednáno v závěrečné části §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
Tachyony (řec. tachyos=rychlý)
jsou ryze spekulativní částice, které se mohou pohybovat pouze nadsvětelnou rychlostí a mají (v souvislosti se známým vztahem závislosti hmotnosti na rychlosti m = m
o/Ö(1-v2/c2) ve speciální teorii relativity) imaginární hmotnost. Motivací pro zavedení tachyonů je pouze spekulace o jakési symetrii vzhledem k rychlosti světla, nesvědčí pro ně žádné fyzikální argumenty; spíše by vyvolávaly vážné problémy s principem kauzality. Z hlediska teorie relativity jsou tachyony stručně diskutovány v pasáži "Tachyony" §1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity" zmíněné knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
"Stínová" či zrcadlová hmota - Katoptrony ?
Na závěr našeho letmého přehledu "zoologie" hypotetických částic zmíníme ještě poněkud nejasnou představu o tzv. zrcadlové hmotě, která by snad mohla skrytě existovat vedle "naší obyčejné" hmoty. Hypotéza vychází z experimentálně zjištěného nezachování parity při slabých interakcích částic (je diskutováno níže - "
CPT symetrie interakcí"). Vznikla myšlenka, že zrcadlová symetrie by mohla být obnovena, kdyby ke každé "naší" pozorované fundamentální částici existoval skrytý, "stínový" partner ("dvojče") - zrcadlová částice, při jejíž interakci dochází k opačnému porušení parity. Naše běžné částice jsou "levotočivé", zrcadlové částice "pravotočivé", celkově je paritní symetrie zachována. Parita pak může být spontánně narušena Higsovým mechanismem; v případě nenarušené paritní symetrie jsou hmotnosti částic a jejich zrcadlových partnerů stejné, při narušení parity jsou hmotnosti zrcadlových partnerů odlišné. Zrcadlové částice se někdy označují souhrnným názvem katoptrony (řec. katoptro = zrcadlo).
  Zrcadlová hmota, pokud existuje, jen velmi slabě interaguje s běžnou hmotou. Síly mezi zrcadlovými částicemi jsou totiž zprostředkovány zrcadlovými bosony, které jsou obecně jiné, než intermediální bosony "naší" hmoty. Zrcadlová hmota je proto prakticky nepozorovatelná *), aspoň ne přímými metodami, opticky. Výjimkou jsou gravitony, takže zrcadlová hmota by měla vykazovat gravitační účinky - mohla by být proto kandidátem na zatím záhadnou temnou hmotu ve Vesmíru (podrobněji rozebíranou v §5.6 "
Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota." monografie "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
*) V rámci superstrunových teorií se zrcadlové částice dokonce někdy umisťují nikoli do "našeho" 3-rozměrného prostoru, ale do tří jiných "extradimenzí".

Unitární symetrie a multiplety částic
Velký počet elementárních částic, které byly objeveny při vysokoenergetických interakcích, přirozeně vedl nukleární fyziky ke snahám o jejich systematiku a zavedení unitarizačních schémat - k vytvoření jakési periodické tabulky částic, analogicky k Mendělejevově periodické tabulce prvků
(§1.1, část "Bohrův model atomu" a "Interakce atomů", pasáž "Periodické chemické vlastnosti atomů"). Především, každému baryonu a leptonu je přiřazeno baryonové číslo B a leptonové číslo L (částice +1, antičástice -1), které se zachovávají při všech interakcích. Byly zjištěny výrazné podobnosti a symetrie mezi některými elementárními částicemi, především hadrony.
  Odhlédneme-li od elektrického náboje, lze např. protony a neutrony považovat za dva stavy (dublet) jedné částice - nukleonu. Podobně piony
p+,po,p- tvoří triplet podobných částic. Při studiu samotných silných interakcí, které jsou nábojově nezávislé, můžeme od náboje odhlédnout. Pro popis těchto podobností a symetrií byla zavedena nová veličina izotopický spin neboli izospin T *). Nukleony mají izospin T = 1/2, přičemž projekce izospinu T = +1/2 odpovídá protonu a T = -1/2 neutronu. Pionům se připsal izospin T = 1, s projekcemi -1,0,+1 pro p-,po,p+. V soustavě interagujících nukleonů a pionů pak platí zákon zachování izospinu.
*) Vyšlo se z formální analogie s obyčejným spinem, kde částice se spinem 1/2 se vyskytuje ve dvou stavech s průmětem spinu -1/2, +1/2 a částice se spinem 1 ve třech stavech s průměty spinu -1,0,+1. Izospin T je vektorem v myšleném (pomocném) "izotopickém prostoru". Obecně částice s izospinem T se může vyskytovat v (2 T + 1) stavech s projekcemi izospinu na vztažnou osu: -T, (-T+1), (-T+2), ..., -1, 0, 1, ..., (T-2), (T-1), T.
  Dalším důležitým krokem byl objev některých "podivných" (nečekaných) vlastností interakcí mesonů K a hyperonů při jejich sdružené párové produkci, které vedly k zavedení pojmu podivnosti, popsaného kvantovým číslem S ("Strange"). Později bylo zavedeno obecnější kvantové číslo zvané hypernáboj Y = B + S, dané součtem baryonového čísla B a podivnosti S. Ukázalo se, že při silných interakcích se zachovává jak izospin T, tak hypernáboj Y. Tato rozšířená symetrie vedla k sestavení multipletu baryonů - dekupletu (3/2
+), v němž však v té době chybělo jedno místo; byl tak předpovězem hyperon W, který byl zanedlouho skutečně objeven.
  Jednotlivé hadrony se zakreslovaly do speciálních diagramů, kde na vodorovné ose se vynášela projekce izospinu T
z, na svislé ose hypernáboj Y a na šikmé ose elektrický náboj Q. Spojnice takto vyznačených multipletů částic tvořily pravidelné geometrické obrazce - trojúhelníky, šestiúhelníky a jejich kombinace, viz níže obr.1.5.3. Takováto analýza unitární symetrie (kterou nalezli v r.1964 M.Gell-Mann a Y.Ne'eman) ukázala, že systematiku hadronů lze velmi dobře vysvětlit hypotézou, že hadrony jsou složeny ze subčástic nazvaných kvarky - baryony z tripletu kvarků, mezony z dvojice kvarků, jak bude nastíněno v následující pasáži.

Jsou elementární částice skutečně elementární ?
Pokusme se nyní podívat, jak je to s "elementárností" a vnitřní strukturou základních stavebních částic hmoty. Důležitým vodítkem pro posouzení "elementárnosti" ("fundamentálnosti") částic nám může sloužit to, zda se daná částice samovolně rozpadá (přeměňuje) či nerozpadá na jiné druhy částic. Za opravdu vnitřně "jednolité", kompaktní elementární částice bez vnitřní struktury, můžeme podle dosavadních poznatků považovat foton a elektron, které vznikají či zanikají vždy jako celek a nepřeměňují se na jiné druhy částic. Neutron a proton se mohou vzájemně přeměňovat za účasti elektronů, pozitronů a neutrin; nemohou být tedy v pravém slova smyslu "elementární". Totéž se týká
p-mezonů a hyperonů. Tedy obecně hadronů...
Pozn.: Jelikož mnohé částice jsou složené, označení "elementární" je zde zavádějící. Jedná se však o vžitý název, podobně jako název "atom", který již dávno neznamená "nedělitelný". V posledních letech se ale často slovo "elementární" vypouští a hovoří jen o "částicích".
Bootstrap model hadronových interakcí 
"Předchůdkyní" kvarkového modelu byla tzv. bootstrapová hypotéza interakcí hadronů, kterou v 60.letech vypracoval G.F.Chew. Nehledaly se zde žádné fundamentálnější částice, které stojí za vlastnostmi interakcí, ale předpokládalo se, že jsou to v podstatě "ty samé" hadrony (včetně hadronových rezonancí), působící v jakési zpětné vazbě
(bootstrap = samozaváděcí, zpětnovazební). V částicové fyzice je tato koncepce nyní již jen okrajová a není obecně přijímaná...
Kvarková struktura hadronů 
Výše naznačená systematika hadronů ukazuje, že v jejich vlastnostech se dají nalézt výrazné tzv. unitární symetrie. Na základě těchto symetrií byl v r.1964 (autoři M.Gell-Mann a Y.Ne'eman) sestaven tzv. kvarkový model hadronů, podle něhož jsou všechny hadrony složeny z ještě "elementárnějších pračástic" - kvarků.
Slovo "quark", které nemá žádný jazykový význam, převzali autoři kvarkového modelu s notnou dávkou recese ze hry spisovatele Jamese Joyse.
  Kvarky jsou fermiony se spinem 1/2 a s třetinovým elektrickým nábojem: -(1/3)e, +(2/3)e, každý kvark má svou antičástici - antikvark´. Pro vysvětlení systematiky hadronů pomocí aditivního kvarkového modelu bylo postupně zavedeno celkem 6 druhů kvarků, z nichž nejdůležitější jsou tři: "u" (up), "d" (down), "s" (strange). Charakteristiky všech kvarků jsou uvedeny níže v přehledné tabulce v části "
Standardní model - jednotné chápání elementárních částic".
   Mezony jsou složeny z dvou kvarků - kombinace kvark-antikvark (q q´). V případě opačné orientace spinů obou kvarků dostáváme tzv. skalární mezony se spinem s=0, např. p+ = (u d´), p- = (d u´), po = (u u´) + (d d´). Je-li jedním z kvarků "s", jedná se podivné mezony K+,-,0 ............ Při paralelní orientaci spinů v dvojici kvark-antikvark vznikají tzv. vektorové mezony se spinem s=1, které pozorujeme jako mezonové rezonance s velmi krátkou dobou života (cca 10-23s) - mezon r+,-,0 nebo *K+,-,0.
   Baryony jsou složeny ze tří kvarků, přičemž spiny těchto kvarků mohou být orientovány tak, že výsledný spin baryonu je s=1/2, nebo s=3/2. Např. proton p = (u u d), neutron n = (d d u).
Baryony obsahující kvark "s" se nazývají hyperony
(vlastnosti hyperonů byly popsány výše). Systematika mezonů a baryonů z hlediska kvarkové struktury je schématicky znázorněna diagramy na následujícím obr.1.5.3.


Obr.1.5.3. Schématické znázornění unitární symetrie a kvarkové stavby hadronů.
Pozn.1: Z důvodu souladu s textem, kde nejsou k dispozici fonty s vlnovkou, jsou antičástice označeny čárkovaně ( ' ).
Pozn.2:
Stejné kvarkové kombinace, lišící se vyšším spinem, odpovídají buď samostatné částici (např.
r, D), nebo jsou označeny stejným symbolem jako známá částice s antipralelními spiny těchže kvarků a indexem "*" (např. *K, *S).

Vedle těchto základních multipletů lze vytvořit i řadu dalších kombinací z "exotických" kvarků c, b, t *), ať již (pseudo)skalární, nebo vektorové; některé z nich byly již experimentálně prokázány. Např.:
D-mesony - obsahují c-kvarky: D
+ (c,d'), Do (c,u'), podivný Ds (c,s'), charmonium (c,c')
B-mesony - obsahují b-kvarky: B
+ (u,b'), Bo (d,b'), podivný Bs (s,b'), Bc (c,b'), ypsilonium (b,b')
   Všechny tyto kombinace se chovají jen jako rezonanční stavy s velmi krátkou dobou života (kratší než cca 10
-13sec). Vznikají na kratičký okamžik při vysokoenergetických interakcích elektronů, protonů a dalších částic. Rozpadají se řadou různých způsobů (leptonových i hadronových) na elektrony e±, fotony g, miony m±, neutrina ne,m,t, kaony K±,0, částečně i piony p±,0.
*) Top kvark t, který je nejtěžší (cca 170MeV/c2), se po svém vzniku natolik rychle rozpadá (typicky na b-kvark a W-boson), že nestačí vytvořit hadronové vázané stavy, nenastává u něj hadronizace a vznik jetů.
Původ hmotnosti hadronů 
Hadrony jsou mnohem těžší, než činí součet hmotností jejich kvarků. Např. proton má hmotnost 938MeV, zatímco hmotnost kvarku "u" je 2MeV a kvarku "d" 5MeV. Většina hmotnosti protonu proto pochází z kinetické energie vnitřního pohybu jeho kvarkových komponent. Vysvětluje se to na základě kvantových relací neurčitosti, podle nichž součin neurčitosti v poloze a hybnosti částice je větší než Planckova konstanta. Kvarky jsou v protonu či neutronu uzavřeny ("uvězněny") v prostorové oblasti o průměru cca 10
-13cm; tato vnuceně velmi malá neurčitost v poloze kvantově implikuje značnou hybnost a tím i kinetickou energii každého z kvarků, nejméně cca 200MeV. Bilance kinetické energie takových tří intenzívně kmitajících kvarků je přibližně ekvivalentní hmotnosti protonu.
Rozdíl v hmotnosti kvarků "u", "d", "s"
(který se v unitárních teoriích polí a částic vysvětluje interakcí s Higgsovým polem) však způsobuje rozdíly v hmotnostech mezonů p a K, jakož i baryonů - protonů, neutronů a různých druhů hyperonů.

Uvězněné kvarky; jety; hadronizace kvarků
Úspěšnost kvarkového modelu přirozeně vedla k intenzívním snahám nalézt jednotlivé kvarky experimentálně. Ani v laboratořích vysokých energií na urychlovačích, ani v kosmickém záření se však žádné částice, které by měly třetinový elektrický náboj, nepodařilo nalézt. Pokud kvarky vůbec existují, musejí být v nukleonech velmi silně vázány *), nelze je uvolnit. Kvarky tedy zůstávají částicemi hypotetickými, resp. modelovými, které sice velmi elegantně vysvětlují vlastnosti hadronů, ale jejichž existence nebyla přímo prokázána.
*) Nemožnost získat volné kvarky 
Velmi silná vazba znemožňuje získat volné kvarky z následujícího důvodu: Při snaze odtrhnout kvarky v hadronu od sebe tím, že dodáváme stále více energie (třebas nepružnými interakcemi ostřelujících částic, obr.1.5.4), bude nakonec tato energie tak vysoká, že převýší prahovou energii pro vznik nového páru kvark-antikvark. Tyto nově vzniklé kvarky se pak v gluonovém poli okamžitě spojí do dvojic nebo do trojic s kvarky původními. Původní hadron jsme tím sice "rozbili", ale nezískáme přitom volné kvarky, ale zase jen vázané systémy dvou či tří kvarků, tj. hadrony.
  Analogická situace je známa z klasického magnetismu při dělení permanentního tyčového magnetu, majícího severní a jižní magnetický pól. Pokud rozlomíme magnet na dvě části, ve snaze oddělit jižní a severní pól, dojde k rekonfiguraci magnetických domén za vzniku dvou magnetů, každý opět se severním a jižním pólem. Nelze tedy takto odseparovat a vyrobit magnetický "monopól" jižní či severní, analogicky jako se nedaří odseparovat a uvolnit jednotlivé kvarky z hadronu...
  O asymptotické volnosti kvarků a jejich hadronizaci je zmínka ještě níže.

  Nepřímo byl však kvarkový model podpořen výsledky experimentů s rozptylem elektronů na protonech, při nichž se měřily úhly a energie rozptýlených elektronů a protonů. Při nižších energiích (do cca 1GeV) se proton chová jako kompaktní "kulička" o poloměru
» 1 fm (=10-15m). Při vysokých energiích je však chování protonů zcela jiné; poprvé byl takový experiment s rozptylem vysokoenergetických elektronů (o energiiích vyšších než 1010eV) na nukleonech proveden na urychlovači SLAC ve Stanfordu (r.1960-70 - J.I.Friedman, R.E.Taylor, H.W.Kendall a kol.). Při takovém "tvrdém ostřelování" se nukleon nechoval jako kompaktní částice s rovnoměrným rozložením náboje, ale jako soustava tří velmi malých rozptylových center (o rozměru cca 10-16cm), v nichž je koncentrován elektrický náboj. Tyto částice uvnitř protonů R.Feynman nazval partony. Přímému ztotožnění kvarků a partonů však bránil rozpor - na jedné straně se při experimentech partony v nukleonech chovaly jako volné, na druhé straně kvarky jsou tak silně vázány, že je nelze z nukleonů uvolnit.
   Pro pochopení specifických vlastností kvarkové struktury hadronů byla v 70.letech vytvořena tzv. kvantová chromodynamika (QCD, řec. chromos = barva), což je polní teorie silné interakce. V rámci QCD byla vytyčena koncepce tzv. asymptotické volnosti kvarků (vazbový potenciál kvarků se blíží nule při velmi malých vzdálenostech » 1 fm) a dále byla vyslovena hypotéza dokonalého uvěznění kvarků v hadronech, podle níž kvarky nemohou existovat jako volné částice, ale pouze vázané v hadronech - vazbový potenciál rychle roste se vzdáleností, k úplnému uvolnění kvarků by byla potřebná nekonečně velká energie (přesvědčivější důvod je diskutován výše v poznámce "Nemožnost získat volné kvarky".). Silná interakce mezi kvarky je v QCD zprostředkována vektorovým kalibračním polem, jehož kvanta s nulovou klidovou hmotností, zvaná gluony, zde hrají podobnou úlohu jako fotony v kvantové elektrodynamice, kde zprostředkovávají elektromagnetické působení mezi nabitými částicemi.
Podle některých hypotéz by kvarky mohly být složeny z ještě "menších" částic, nazvaných preony - viz níže část "Standardní model - jednotné chápání elementárních částic", pasáž "Preonová hypotéza".


Obr.1.5.4. Schématické znázornění mechanismu interakce vysokoenergetického elektronu s protonem.

Za velmi vysokých energií při tvrdých a hluboce nepružných srážkách elektronů s protony vzniká řada sekundárních částic, které vylétají neizotropně v jakýchsi směrovaných "výtryscích" - jetech. Detailní analýza úhlového rozdělení a energie částic v jetech ukázala následující mechanismus interakce, který lze rozdělit do dvou etap (obr.1.5.4): Během 1.etapy vysokoenergetický elektron při interakci s protonem předá část své kinetické energie jednomu z kvarků, který se po tomto rozptylu po určitou kratičkou dobu pohybuje prakticky volně (asymptotická volnost) uvnitř protonu; podobně i zbytek protonu tvořený dvěma zbývajícími kvarky. Nedojde však k uvolnění kvarků z protonu. Jakmile vzdálenost mezi urychleným kvarkem a zbytkem protonu přesáhne zhruba 1fm (10-15m), nastává 2.etapa: síly mezi nimi začnou prudce narůstat a v kvark-gluonovém poli dojde k produkci kvarků a antikvarků, které se zformují do mesonů a baryonů - dojde k tzv. "hadronizaci" kvark-gluonového plasmatu *). Výsledkem je vyzáření dvou úhlově kolimovaných spršek částic - jetů, které vylétají přibližně ve směrech letu incidenčního kvarku a zbytku protonu v první etapě. Tyto jety jsou vlastně stopami po kvarcích. Kvarková struktura hadronů se projevuje při řadě vysokoenergetických interakcí.
*) Můžeme si zjednodušeně představit, že kvarky v hadronech jsou spojeny jakýmisi "strunami" (gluonovými trubicemi), které je drží pohromadě jako "gumová vlákna". Při "pokusu o únik" kvarků, tj. při růstu vzdálenosti mezi kvarky, se tato struna "trhá" na kratší struny délky cca 1fm, odpovídající mesonům a baryonům (volné konce struny vedou ke vzniku nové dvojice kvarku a antikvarku). Tato starší představa se často používala začátkem 70.let. Přesvědčivější důvod je diskutován výše v poznámce "Nemožnost získat volné kvarky".
Kvark-gluonová plasma - "5.skupenství hmoty" 
Za normálních okolností nemohou být kvarky volné, jsou vždy vázány silnou interakcí do hadronů. Když se hadronová hmota zahřeje na extrémně vysokou teplotu vyšší než 10
12°K, tehdy hustota kinetické energie mnohonásobně převyšuje hustotu energie v jádře, střední volná dráha kvarků je menší než poloměr jádra. Při těchto velmi vysokých teplotách a hustotách jsou hadrony natlačeny tak blízko na sebe, že se vzájemně "prolínají" svou kvarkovou strukturou a ztrácejí svoji "identitu". V prostoru mezi kvarky je takové množství gluonů, že jejich vzájemné silové působení "odstiňuje" přitažlivost mezi kvarky. Hmota v tomto stavu je na kratičký okamžik tvořena rovnovážnou směsicí (asymptoticky) volných kvarků a gluonů. Tento vysoce "exotický" stav hmoty se nazývá kvark-gluonová plasma.
  Kvark-hluonová plasma se někdy považuje za jakési "páté skupenství" hmoty: tři běžně známá skupenství jsou pevné, kapalné a plynné; za vysokých teplot, nebo působením silných elektrických polí, výbojů či záření, vzniká ionizovaný plyn - plasma sestávající z volných elektronů a kladných iontů či atomových jader - označovaná jako 4.skupenství; a jaderná kvark-glunová plasma je 5.skupenství. V souvislosti s touto analogií a s představou asymptorické volnosti kvarků v gluonovém poli by se dalo očekávat, že kvark-gluonová plasma bude mít charakter ideálního plynu jen slabě interagujících kvarků. Složité experimenty na urychlovačích, ve spojení s důkladnou analýzou dat z detektorů částic však ukázaly, že se spíše chová jako silně interagující téměř ideální kvark-gluonová kapalina, jevící vlastnosti supratekutosti. V této plasmě se patrně projevují zbytkové interakce, jejichž relativní síla je srovnatelná s van der Waalsovými silami pozorovanými u klasických kapalin.
  Nepůsobí-li další síly, za kratičký okamžik cca 10
-22sec. dochází k opětnému uvěznění kvarků a gluonů z kvark-gluonové plasmy do hadronů - kvarky začnou tzv. hadronizovat po dvojicích (vznikají mezony) a trojicích (vznikají baryony)*). Kvark-gluonová plasma vzniká na kratičký okamžik při srážkách vysokoenergetických částic - hadronů a zvláště těžších atomových jader - na urychlovačích (kde se pomocí složitých systémů detektorů monitorují vznikající spršky sekundárních částic - baryonů, pionů, kaonů, viz níže "Velké urychlovače"), či v kosmickém záření. Předpokládá se, že právě taková kvark-gluonová plasma tvořila hmotu vesmíru v jeho počátečních stádiích - tzv. hadronové éře - několik mikrosekund po velkém třesku (podrobněji je rozebíráno v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru." monografie "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Vznik kvark-gluonové plasmy při vysokoenergetických srážkách v urychlovačích se proto někdy označuje jako jakýsi laboratorní "malý třesk", či "malý velký třesk" (little Big Bang). V kontextu jaderných reakcí je kvark-gluonová plasma rozebíraná v §1.3, pasáž "Vysokoenergetické srážky težších atomových jader".
*) Podivná kvarková hmota?
Byla však vyslovena hypotéza (E.Witten, r.1984), že pokud by byl v kvark-gluonové plasmě obsažen dostatečný počet "podivných" s-kvarků (vedle obvyklých kvarků u a d tvořících nukleony), může to zabránit hadronizaci a takováto "podivná kvarková hmota" může být stabilní. Za tituace, kdy jsou kvarky velmi "natlačeny" blízko sebe a všechny nižší fermionové stavy jsou obsazeny, se kvarky s prakticky nemohou přeměňovat na kvarky u, neboť pro takto nově vzniklé kvarky u již není volné kvantové místo. Opačné přeměny mohou nastávat, takže se ustaví rovnovážná konfigurace kvarků u,d,s ve fermionovém plynu, která je energeticky výhodnější než hadronizace. Výsledný útvar by pak mohl být stabilní, držený pohromadě silnou interakcí. Podivná kvarková hmota je schopna pohlcovat neutrony, rozkládat je na kvarky a vytvářet další podivnou kvarkovou hmotu. Předpokládá se, že menší fragmenty podivné kvarkové hmoty by mohly přežívat z hadronové éry na počátku evoluce vesmíru, nebo by mohly vznikat při výbuchu supernovy. Žádné experimentální důkazy pro takový exotický stav hmoty zatím nejsou. Některé astrofyzikální aspekty jsou zmíněny v §4.2 "
Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps" již zmíněné knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").

Co udržuje svět pohromadě? - aneb: 4 typy interakcí v přírodě
Veškeré výsledky dosavadního fyzikálního a přírodovědeckého bádání ukazují, že všechny struktury a jevy v přírodě jsou podmíněny působením jen čtyř základních druhů interakcí :

Ukazuje se zajímavé pravidlo hierarchie interakcí: částice, která podléhá některé ze 4 základních interakcí, automaticky podléhá i všem slabším interakcím.

C P T symetrie interakcí
Důležitou úlohu v chápání interakce částic hrají vlastnosti symetrie - zda a jakým způsobem se změní chování fyzikálního systému při určité (myšlené či skutečné) transformaci souřadnic či jiných parametrů částic. Pod
symetrií rozumíme takové transformace veličin popisujících daný fyzikální systém, které ponechávají tvar pohybových zákonů tohoto systému beze změn (obecný fyzikálně-matematický rozbor symetrií a zákonů zachování v teorii pole viz v §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Zde se stručně zmíníme o třech základních druzích symetrie při interakcích částic, o jejich kombinacích a jejich narušení.
¨ C-symetrie, nábojové sdružení (angl. Charge = náboj)
- spočívá v záměně všech částic v systému za jejich antičástice s opačnými náboji. Pokud se takový systém bude chovat stejně jako s původními částicemi, označíme jej jako C-invariantní. Základní zákonitosti světa a antisvěta jsou skutečně stejné. Existence pouze levotočivých neutrin a provotočivých antineutrin však naznačuje, že při slabých interakcích může být C-symetrie porušena.
¨ P-symetrie, zrcadlové obrácení - paritní symetrie
- spočívá v zrcadlovém obrácení všech poloh a orientací částic v systému, včetně záměny levotočivých a pravotočivých momentů hybnosti. V makrosvětě i pro většinu procesů v mikrosvětě (silné a elektromagnetické interakce) je P-symetrie zachována. U rozpadů K-mezonů vlivem slabé interakce, jakož i u
b-rozpadu jader (např. 60Co) však byly pozorovány určité asymetrie, narušující pravo-levou symetrii - porušení zákona zachování parity *).
*) Do poloviny padesátých let se předpokládalo, že parita se zachovává při všech interakcích částic (podobně jako v makrosvětě) - že platí zákon zachování parity. V r.1956 T.D.Lee a Ch.N.Yang začali zkoumat platnost zachování parity při slabých interakcích, připustili její narušení a navrhli příslušné experimenty. Rozhodující experiment provedla v r.1957 čínsko-americká fyzička Ch.-S.Wu (s kolektivem spolupracovníků - E.Ambler, R.W.Hayward, D.D.Hoppes, R.P.Hudson) na b-rozpadu jader kobaltu 60Co. Vzorek 60Co, ochlazený na velmi nízkou teplotu (0,01°K pomocí adiabatické demagnetizace - aby tepelné pohyby nerušily orientaci jader) byl vložen do silného magnetického pole, které zorientovalo magnetické momenty a spiny jader do přesně definovaného směru. Pomocí scintilačních detektorů pak bylo měřeno úhlové rozložení vylétajících elektronů beta vzhledem ke směru orientace momentu hybnosti (spinu) jádra. Pro vlastní měření elektronů b byl použit antracenový scintilátor, další dva scintilační detektory NaI(Tl), umístěné kolmo k sobě, registrovaly anizotropii doprovodného záření g pro monitorování dosaženého stupně orientace kobaltových jader. Byly provedeny dvě série měření pro dva opačné směry vektoru magnetického pole B v závislosti na teplotě. Asymetrie v úhlovém rozložení záření b byla sledována relativním počtem impulsů v antracenovém scintilátoru v závislosti na teplotě: pro nízké teploty (vysoká orientace jader) byla pozorovaná asi 20% asymetrie, při vyšších teplotách (s ubýváním stupně orientace kobaltových jader) ubýval stupeň úhlové asymetrie v emisi elektronů; se zánikem orientace jader též vymizela i asymetrie v úhlovém rozložení emitovaných elektronů. V případě platnosti P-symetrie by počet elektronů vyletujících pod určitým úhlem f měl být stejný jako počet elektronů vylétajících v protilehlém směru 180°-f. Byla však spolehlivě zjištěna asymetrie v úhlovém rozložení elektronů b, svědčící o porušení P-symetrie - nezachování parity.
  Vedle radioaktivity b se nezachování parity ve slabých interakcích projevuje i u rozpadů mezonů K (kaonů) na mesony p (piony), které byly popsány výše v části "Vlastnosti a interakce nejdůležitějších částic", pasáž "Mezony p a K". Mezony K i p mají zápornou paritu. Při rozpadu nabitého K na tři nabité piony (např. K+®p++p++p-) je parita před i po rozpadu záporná. Nastává však i rozpad nabitého K (se zápornou paritou) na jeden nabitý a jeden neutrální mezon p, např. K+®p++po; tato výsledná soustava dvou mezonů p má celkovou paritu kladnou - parita se nezachovává. Když byly v r.1953 objeveny tyto dvě možnosti 2- a 3-pionových rozpadů nově objeveného mezonu do stavů s různou paritou, bylo to považováno za rozpady dvou různých částic, označovaných jako částice J a t. Další měření však ukázala, že tyto domnělé dvě částice mají hmotnost, náboj a dobu života stejné - že částice J a t jsou jedinou částicí, která dostala název K a která se může rozpadat dvěma (či několika) způsoby, z nichž některé nezachovávají paritu.
¨ T-symetrie - inverze času
- spočívá v obrácení směru toku času, v prozkoumání, zda všechny procesy v systému mohou probíhat v obráceném pořadí. Z mechanického hlediska zaměníme počáteční a koncové stavy částic a obrátíme vektory jejich pohybových rychlostí. Základní zákony elektrodynamiky a gravitace se nemění při obrácení směru času. Pro velké statistické soubory částic jsou sice časově obrácené procesy na mikroskopické úrovni principiálně možné, avšak jejich pravděpodobnost je velmi malá - v souladu s 2.zákonem termodynamiky výsledné makroskopické procesy jsou fakticky nevratné (k tomu viz např. "
Determinismus - náhoda - chaos ?" v §3.3 knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Ukázalo se navíc, že T-symetrie zcela neplatí ani na úrovni srážek dvou částic, je narušena působením slabé interakce.
Kombinované symetrie
Jelikož tedy samotné C, P i T symetrie mohou být narušené, přinejmenším při procesech s účastí slabých interakcí, bylo prozkoumáno, zda se symetrie neobnoví při kombinaci příslušných transformací:
¨ CP - symetrie
vznikne nahrazením levého pravým a zároveň výměnou částic za antičástice. I zde se ukazuje, že některé rozpady K
0-mezonů na piony *) asi v 0,2% případů narušují CP-symetrii.
*) Jedná se o kvantově smíšený stav mezonu K0 a anti-K0, při němž vznikají dva různé stavy označované KL (s delší dobou života cca 10-8s) se zápornou hodnotou kombinované CP a KS (s kratší dobou života cca 5.10-10s) s kladnou hodnotou CP. Oba tyto stavy se rozpadají slabou interakcí dvěma různými způsoby. Krátce žijící mezon KS se rozpadá dvoučásticově na dva p-mezony, déle žijící KL pak zpravidla na tři piony, nebo pion a mion či elektron a neutrino. V experimentech na urychlovači v Brookhavenu v r.1964 byla však u KL pozorována i malá "příměs" rozpadu na dva mezony p, představující stav s kladnou hodnotou CP. Hodnota CP se tak změnila ze záporné na kladnou - bylo prokázáno narušení CP symetrie. Narušení CP symetrie nastává i při rozpadech K0 na piony a leptony: KL®p++e-+n', KL®p-+e++n, při nichž je rozpad za vzniku pozitronů o cca 0,2% častější než elektronů.
¨ CPT - symetrie
vznikne tak, že: zaměníme částice za antičástice + zaměníme levé za pravé + obrátíme chod času. V rámci relativistické kvantové teorie pole v r.1957 W.Pauli zformuloval CPT-teorém o zachování kombinované CPT symetrie. Zde se ukazuje, že zatím žádný experiment neodporuje této symetrii - předpokládá se platnost CPT-symetrie.
Narušení symetrie
  
Kdyby vždy a všude panovala absolutní a dokonalá symetrie, byl by svět velice fádní a nevyznačoval by se pozorovanou pestrostí; dokonce by nevznikla látka v obvyklém smyslu, nebyly by atomy, vesmír by sestával z rozptýlených částic a záření. Narušení C či CP symetrie v mikrosvětě mělo pravděpodobně velmi důležité důsledky v nejranějších fázích po vzniku vesmíru: vedlo k mírnému převládnutí hmoty nad antihmotou - k baryonové asymetrii vesmíru. V období před velkým sjednocením interakcí způsobovaly částice X a Y, tzv. leptokvarky, přechody mezi kvarky a leptony. Vlivem narušení CP symetrie probíhaly tyto procesy mírně nesymetricky - na cca 108 vzájemných přeměn proběhlo o jednu přeměnu více směrem k hmotě, než k antihmotě. Při následné anihilaci látky a antilátky na konci hadronové éry tak zbyla určitá malá převaha částic, tvořících hmotu z níž nyní sestává vesmír. Další podrobnosti viz v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru." a v §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".

Úloha interakcí při fungování světa
Význam a úlohu jednotlivých druhů interakcí v přírodě si můžeme názorně
(i když snad příliš populárně a zjednodušeně, za což se kolegům omlouvám ...) přiblížit v následujícím myšlenkovém pokusu. Představme si, že existuje Bůh, který je absolutně všemohoucí a který se rozhodne prakticky "otestovat" důležitost jednotlivých interakcí pro stavbu a fungování vesmíru ("není snad některá z nich zbytečná?"). Za tím účelem bude pokusně "vypínat" či "rušit" jednotlivé druhy interakcí a pozorovat, co to "se světem udělá":
¨ Řekne: "Tak, a od teďka ruším gravitaci!".
Co by se stalo? Okamžitě nastane beztížný stav, budeme se vznášet, což by se nám mohlo chvíli líbit. Odhlédneme-li od katastrofických událostí zde na Zemi (pokles atmosférického tlaku na nulu, vylití vody z oceánů, únik atmosféry do vesmíru, puknutí zemské kůry a vulkanická katastrofa), napadne nás ihned, že Země opustí svou oběžnou dráhu a odletí od Slunce do vesmíru. Ve skutečnosti to však nestihne! Mezitím by totiž Slunce explodovalo jako gigantická termonukleární bomba a během cca 20 minut by Zemi dostihla obrovská vlna žhavé plasmy, v níž by se celá Země vypařila. Tak by skončily všechny hvězdy, takže vesmír by se zaplnil horkou plasmou a posléze chladnoucím plynem, všechny struktury by se rozplynuly a nakonec zanikly v "tepelné smrti" vesmíru. Tedy ne zrovna veselý konec.
¨ Pokud by Bůh řekl: "Nyní ruším elektromagnetickou interakci!",
okamžitě by se rozpadly všechny atomy na jádra a oddělené elektrony - všechny struktury by opět zanikly a proměnily se v plasmu.
¨ Kdyby Bůh zrušil silnou interakci,
rozpadla by se okamžitě všechna atomová jádra (elektricky by explodovala) a tím i atomy; existovat by mohl nadále jen vodík
1H1.
¨ Zrušení slabé interakce
by mělo poněkud složitější a méně přímočaré důsledky, neboť slabá interakce nevytváří žádné vázané systémy (typu atomů a jejich jader). Kromě zastavení
b-rozpadu by patrně vyhasly termonukleární reakce v nitru Slunce *). Bez slabé interakce by nedošlo ke zhroucení masívních hvězd na neutronovou hvězdu, ale hvězda by patrně zůstala ve stádiu degenerovaného elektronového plynu. Pokud by však zrušení slabé interakce nastalo již v počátečních fázích vývoje vesmíru, nevznikla by baryonová asymetrie a převaha hmoty nad antihmotou. Nedošlo by k vesmírné nukleosyntéze (ani k primordiální, ani k hvězdné) a celý vesmír by sestával pouze z částic a záření. Pokud by k hypotetickému zrušení slabé interakce došlo v leptonové éře, byl by stejný počet protonů a stabilních neutronů; v primordiální a hvězdné nukleosyntéze by vznikala nejenom dnes známá stabilní jádra, ale všechny isotopy by byly stabilní - vznikala by i jaderná "monstra" s velkým počtem neutronů nebo složená jen z neutronů, lehká jádra složená jen z protonů a pod. Chemické složení vesmíru by bylo úplně jiné než pozorujeme (a každopádně nevhodné pro vznik života).
*) Termonukleární syntéza ve hvězdách začíná fúzí dvou protonů p+, při níž vzniká deuteron 2H a je emitován pozitron a neutrino: p+ + p+ ® 2H1 + e+ + ne. Vlastní vazba protonu a neutronu v deuteronu je dílem silné interakce, avšak nutná přeměna jednoho z protonů na neutron (vázaný stav dvou protonů neexistuje) v procesu p+ ® no + e+ + ne je dílem slabé interakce. Bez slabých interakcí by tedy fúze neproběhla, Slunce a hvězdy by nesvítily!
  Vidíme tedy, že žádná z fundamentálních interakcí není zbytečná, všechny jsou "životně důležité"! K tomu, aby svět vypadal a fungoval stávajícím způsobem je dokonce třeba, aby poměry sil jednotlivých interakcí (vazbové konstanty) měly přesně ty hodnoty, které pozorujeme - podrobnější diskuse viz §5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", nebo práci "Antropický princip aneb kosmický Bůh".

Standardní model - jednotné chápání elementárních částic
Obrovské množství experimentálních poznatků o vlastnostech a interakcích elementárních částic, získané v rozmezí 50.-80.let, zpracovaných a sjednocených v duchu řady kvantově-teoretických koncepcí, vyústilo v tzv. standardní model elementárních částic a jejich interakcí, který zde můžeme stručně a zjednodušeně shrnout takto:
  Základními "stavebními kameny" hmoty jsou fundamentální fermiony - kvarky a leptony:
¨ Kvarky: u, d, c, s, t, b
¨ Leptony: elektron e, mion m, tauon t; neutrina - elektronové ne, mionové nm , taunové nt.
  Tyto fundamentální leptony a kvarky se rozdělují do tří generací (viz 3 sloupce v tabulce). Každá generace je složena ze dvou leptonů a dvou kvarků, přičemž sobě odpovídající částice různých generací se výrazně liší pouze svými hmotnostmi; ostatní charakteristiky jsou stejné.
Pozn.: Důvod, proč dochází k takovému opakování struktur částic ve velkých hmotnostních škálách, zatím neznáme - je to jedna z důležitých otázek současné částicové fyziky a zřejmě též unitární teorie pole. Podrobnější diskuse je uvedena níže v pasáži "Preonová hypotéza".


Systém základních částic látky a kvant polí, tvořící základ nynějšího standardního modelu částic.
Velikost náboje q je uvedena v násobcích náboje elektronu (e), klidová hmotnost m částic v MeV, pokud není uvedeno jinak.

  Mezi těmito fundamentálními kvarky a leptony působí fundamentální interakce - síly gravitační, elektromagnetické, silné a slabé. Tyto síly lze v rámci kvantové teorie pole popsat pomocí výměny zprostředkujících částic - intermediálních bosonů. Pomineme-li gravitaci, která v mikrosvětě nehraje prakticky žádnou úlohu *), mají tyto intermediální bosony spin 1 (označují se jako vektorové, v souvislosti s matematickým formalismem jejich teoretického popisu):
¨ Foton - kvantum elektromagnetického pole, zprostředkovává elektromagnetickou interakci (bývá zvykem jej značit g).
¨ W+,W-,Z - těžké bosony zprostředkovávající slabou interakci, např. přeměny kvarků uvnitř hadronů (obr.1.2.5).
¨ Gluony g - nositelé silné interakce mezi kvarky.
*) Úloha gravitace v mikrosvětě je permanentním námětem diskusí fyziků, zvláště v souvislosti s unitární teorií pole, viz §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" knihy "Gravitace, černé díry...". Gravitony mají spin 2.
  Vlivem elektromagnetické interakce se při srážkách nabitých částic v proměnném elektromagnetickém poli generují fotony záření g, rodí se a anihilují elektrony a pozitrony.
  Vlivem slabé interakce dochází rovněž k tvorbě elektronů a pozitronů spolu s neutriny (z intermediálních bosonů W), k vzájemné přeměně jednotlivých druhů kvarků uvnitř hadronů - a tím k přeměnám neutronů a protonů (radioaktivita b), mesonů i hyperonů. Slabá interakce, v důsledku své vlastnosti porušovat invarianci vůči kombinované prostorové a nábojové inverzi CP, patrně způsobila i baryonovou asymetrii vesmíru - převahu hmoty nad antihmotou.
  Silná interakce, která dokonale váže kvarky uvnitř hadronů, svým "zbytkovým projevem" váže nukleony v atomových jádrech; kromě toho způsobuje řadu interakcí mezi elementárními částicemi, při nichž v kvarkově-gluonovém poli v procesu "hadronizace" vznikají nové mesony a baryony.
  Všechny tyto procesy mezi několika málo druhy leptonů a kvarků způsobují veškerou pestrost a různorodost našeho světa. Standardní model, který shrnuje prakticky všechny naše poznatky o elementárních částicích, je na jedné straně velkým triumfem fyziky mikrosvěta, neboť s velkou přesností vysvětluje chování různých jevů mezi částicemi. Na druhé straně je jasné, že standardní model nemůže být úplnou a definitivní teorií mikrosvěta, neboť je neúplný. Jednak vůbec nezahrnuje gravitační působení a sjednocení gravitace (obecné teorie relativity) s kvantovou teorií. Dále má v některých aspektech příliš fenomenologický charakter - obsahuje mnoho volných parametrů jako jsou některé hmotnosti částic a vazbové konstanty interakcí, které standardní model neumí předpovědět a musejí se zjišťovat experimentálně. Skutečně úplná teorie by měla být schopna tyto parametry stanovit i číselně - např. jaká by měla být hodnota elektrického náboje elektronu a jeho hmotnost, podobně protonu a dalších částic, jaká je síla (resp. poměry sil - vazbové konstanty) jednotlivých interakcí a pod.
Preonová hypotéza 
Podle standardního modelu elementárních částic jsou tedy základními "stavebními kameny" hmoty fundamentální fermiony - kvarky a leptony. Vzniká otázka, zda tímto je hierarchie struktury hmoty konečná? Nebo je každá "elementární" částice tvořena dalšími, ještě "elementárnějšími" částicemi? Výše uvedená tabulka rozdělení kvarků a leptonů na 3 generace m.j. ukazuje, že dochází k opakování vlastností částic ve velkých hmotnostních škálách. To navozuje (podle analogie s periodickou tabulkou prvků *) možnost, že rozdíly mezi generacemi pramení z uspořádání ještě menších stavebních prvků hmoty v leptonech a kvarcích. Tyto hypotetické stavební "kameny" kvarků a leptonů byly nazvány preony
(řec. pre=před).
*) D.I.Mendělejev sestavil periodickou tabulku prvků když si všiml, že určité chemické vlastnosti prvků se opakují. Atomová fyzika to později vysvětlila jako důsledek stavby atomů. Podobně by tomu mohlo být i v částicové fyzice. I 12 známých fundamentálních částic má některé opakující se vlastnosti. To může naznačovat, že ve skutečnosti nejsou základní a elementární, ale že jsou uvnitř složeny z ještě menších částic, jejichž uspořádání určuje jejich osobité vlastnosti.
  Na základě některých (značně neurčitých) výsledků rozptylových experimentů byla vyslovena hypotéza, že kvarky (a snad i leptony) by mohly být složeny z ještě "menších" částic, nazvaných preony. Každý kvark by mohl být tvořen třemi preony. Podle modelu Salama a Pati jsou to somony určující generaci (3 druhy, nulový náboj), flavony určující "vůni" (2 druhy, náboj 1/2) a chromony určující "barvu" (4 druhy, náboj 1/6). Alternativní model, který navrhli Harrari, Shupe a Seidberg, považuje kvarky a leptony za kombinace tří preonů (tzv. rishonů) dvojího typu, jeden s elektrickým nábojem +1/3 a druhý s nulovým nábojem, přičemž každý z nich má své antičástice s opačným elektrickým nábojem -1/3 a 0. Elektron by byl kombinací preonů "---", pozitron "+++", kvark "u" by sestával z "++0", elektronové neutrino z "000" atd. "Silonosné" hmotné bosony by sestávaly z kombinací 6 preonů, např. W+="+++000", foton by byl dvojicí preonu a antipreonu "+
-". Excitované stavy systému preonů by mohly odpovídat jednotlivým generacím částic. Na další úrovni hypotézy by mohly být i pre-preony, pre-pre-preony a pod., podle toho, kolik neobjevených úrovní v hmotě ještě existuje...
  Vzniklo několik preonových modelů, snažících se vysvětlit různé kvarky a leptony kombinací různého počtu specifických druhů preonů. Zatím je to všechno jen pouhá spekulace a numerologie (tou byl ostatně ve svých počátcích i kvarkový model protonů, neutronů a dalších hadronů). Jakékoli experimentální potvrzení preonové hypotézy zatím chybí. Mohly bi ji podpořit experimenty se srážkami částic při nejvyšších energiích, pokud by ukázaly, že kvarky a leptony mají nenulovou velikost (dosavadní experimenty ukazují spíše na bodový charakter kvarků a leptonů). Naráží se zde i na některé teoretické problémy souvisejícími s velmi malými rozměry (menšími než cca 10
-15cm) preonů a jejich lokalizací, které by podle kvantového principu neurčitosti měly implikovat nepřípustně velké efektivní hybnosti a tím i hmotnosti, o mnoho řádů vyšší vyšší než odpovídá skutečným hmotnostem - hmotnostní paradox.
Z čeho jsme složeni 
My lidé, okolní příroda a všechny předměty s nimiž přicházíme do styku, jsou složeny z kvarků "u" a "d" a z elektronů. Mezi nimi působí pole - elektromagnetické, silných a slabých interakcí. Další druhy kvarků a leptonů se uplatňují pouze ve vysokoenergetických procesech interakcí částic v urychlovačích a kosmickém záření, jakož i v některých bouřlivých astrofyzikálních procesech.

Sjednocování interakcí - unitární teorie pole a elementárních částic
I když redukce obrovské různorodosti jevů a struktur v přírodě na pouhé 4 základní typy interakcí, působících mezi několika málo druhy základních částic (vlastně kvarky a leptony), je impozantním příspěvkem fyziky k jednotnému chápání světa, fyzikům to přesto nestačí. Mají ještě vyšší ambice: vytvořit definitivní finální teorii či jednotnou teorii všeho (TOE -Theory Of Everything) - sjednotit stávající čtyři druhy interakcí do interakce jediné, popsané unitárním polem, jehož kvantové vlastnosti by pak popisovaly všechny druhy elementárních částic.
  Unitární teorie pole tvoří velmi speciální část teoretické fyziky s vazbami na jadernou a částicovou fyziku, jakož i na teorii relativity, astrofyziku a kosmologii. Leží tak již mimo rámec našeho pojednání o jaderné a radiční fyzice. K dalším podrobnostem můžeme odkázat na speciální literaturu, na těchto stránkách např. na kapitolu B "
Unitární teorie pole a kvantová gravitace" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".


Urychlovače nabitých částic
Pro studium vlastností, struktury a interakcí elementárních částic, výrobu umělých radionuklidů, jakož i pro aplikace v různých oblastech vědy a techniky (včetně medicíny), je potřeba použít částic urychlených na vysoké kinetické energie. Jelikož přírodní radioaktivní látky poskytují omezenou intenzitu a hlavně energii emitovaných částic, je nutno se obrátit k umělému urychlování částic. Uměle urychlit dovedeme pouze stabilní elektricky nabité částice - elektrony e-, pozitrony e+ , protony p+, deuterony d+, jádra hélia He++=a-částice a jádra (ionty) těžších prvků. Vysokoenergetické částice bez náboje (jako jsou fotony g, neutrony no, neutrální piony, ...) a krátkožijící částice (p-mezony, hyperony, ...) lze pak získat sekundárně - interakcemi urychlených nabitých částic s dalšími částicemi ve vhodném terčíku. Přístroje, které působením silných elektrických a magnetických polí urychlují nabité částice, se nazývají urychlovače. Vlastní urychlování nabitých částic způsobuje elektrické pole (elektrická složka elektromagnetického pole intenzity E) svým silovým působením na náboj Fe = q.E, magnetické pole se využívá ke změně dráhy nabitých částic*). Popř. proměnné magnetické pole indukuje pole elektrické, které způsobuje urychlovací efekt.
*) Magnetické pole nemůže urychlovat, protože Lorentzova síla F
m = q.[v´B] působí v magnetickém poli intenzity B kolmo ke směru pohybu nabité částice rychlostí v, takže nevykonává žádnou práci. Pouze mění směr, zakřivuje dráhu nabité částice, bez změny rychlosti.
Pozn.:
Za nejjednodušší urychlovač částic lze považovat již rentgenku (§3.2 "
Rentgenová diagnostika") - je to lineární elektrostatický urychlovač elektronů, jejichž zdrojem je žhavená katoda, (vnitřním) terčíkem je anoda, ven vychází brzdné (+charakteristické) X-záření. První skutečný urychlovač sestavil v r.1931 R.J.van de Graff s použitím elektro-mechanického generátoru vysokého napětí (nazývaným jeho jménem), v r.1932 pak J.D.Cockcroft a E.T.S.Walton s použitím kaskádového násobiče napětí (soustava usměrňovacích diod s vhodně zapojenými kondenzátory). Bylo dosaženo energie urychlených protonů asi 0,5MeV, s níž byla pozorována první jaderná transmutace vyvolaná uměle urychlenými částicemi. První kruhový urychlovač (cyklotron) zkonstruoval E.O.Lawrenc rovněž v r.1932. Tím začala éra používání urychlovačů v jaderné fyzice.
Kosmické urychlovače 
Procesy urychlování stavebních částic hmoty probíhají i v přírodě, a to často v mnohem větším měřítku a intenzitě, než to my dokážeme uměle. V bouřlivých procesech ve hvězdách a galaxiích dochází k procesům, které fungují jako "kosmické urychlovače" částic. Jsou diskutovány především tři mechanismy urychlování částic ve vesmíru:
¨ Fermiho mechanismus plynulého difuzního urychlování při opakované interakci částic s pohybujícími se rozlehlými oblaky ionizovaného plynu, za spolupůsobení magnetického a elektrického pole.
¨ Výbuch supernovy, při němž se vnější části hvězdy rozpínají rychlostí blízkou rychlosti světla, přičemž ve vzniklé rázové vlně mohou být v prudce expandující ionizované hmotě protony urychlovány na energie až stovky TeV.
¨ Pohlcování hmoty černou dírou, kdy velké množství hmoty, přitahované černou dírou, vytvoří kolem ní tzv. akreční disk, v jehož nejnižší centrální oblasti dochází k extrémně silnému ohřevu pohlcované látky klesající po spirále do černé díry. Podél osy symetrie tohoto tlustého rotujícího disku pak "trychtýři" z vnitřní části uniká proud částic a záření - tzv. jet neboli výtrysk, který obsahuje částice urychlené na velmi vysoké relativistické energie.
    Těmito mechanismy (a možná i dalšími dosud neznámými) vzniká vysoce energetické kosmické záření - podrobnosti z hlediska radiační fyziky viz v §1.6 "Ionizující záření", část "Kosmické záření", z hlediska astrofyziky a kosmologie pak v kap.4 "Černé díry" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".

Základní rozdělení urychlovačů
Z hlediska účelu a použití lze urychlovače rozdělit do dvou skupin:
¨ Malé urychlovače pro průmyslové a medicínské využití,
kde nejsou potřeba extrémně vysoké energie (většinou stačí jednotky až desítky MeV), ale bývá často žádoucí dosáhnout poměrně vysokého toku (fluence) částic, aby požadovaný technologický, analytický či terapeutický efekt byl dostatečně účinný. Jedná se o relativně malé přístroje s rozměry urychlovací komory řádu desítek centimetrů až několika metrů. Takovéto urychlovače jsou nejrozšířenější, často jsou vyráběny i sériově.
¨ Velké urychlovače pro výzkum ve fyzice elementárních částic,
kde je většinou rozhodující dosáhnout co nejvyšších energií urychlených částic; vysokých efektivních energií interakcí řádu TeV a vyšších lze dosáhnout jen s použitím metody vstřícných svazků (collider), jak je diskutováno níže. Pro studium interakcí s nízkým účinným průřezem je zároveň potřeba dosáhnout i vysokého toku vysokoenergetických částic (často jen jedna interakce z několika miliard je "ta pravá"). Toto jsou unikátní zařízení o velkých rozměrech (desítky a stovky metrů, ty největší až několik kilometrů!); jsou součástí komplexních laboratorních systémů se složitými detekčními aparaturami. Stavba takových zařízení trvá řadu let a je finančně velmi náročná - až miliardy dolarů. Problematika velkých urychlovačů bude stručně diskutována níže - pasáž "
Velké urychlovače".
Čím menší struktury zkoumáme, tím větší potřebujeme zařízení
Při zkoumání mikrosvěta se projevuje zajímavá, na první pohled paradoxní zákonitost: čím menší objekt zkoumáme nebo ovlivňujeme, tím větší - mohutnější a výkonnější - zařízení potřebujeme.
Tento trend není nový a projevoval se vlastně již v optické oblasti. Pro pozorování milimetrových objektů vystačíme s obyčejnou lupou, pro studium buněk potřebujeme již složitější a větší mikroskop, pro zkoumání procesů v buněčném jádře se již neobejdeme bez poměrně velkého a složitého elektronového mikroskopu. Obecně zde platí, že k pozorování daného objektu potřebujeme záření o kratší vlnové délce, než jsou efektivní rozměry objektu.
    Ještě složitější je situace u studia nejmenších "elementárních" částic hmoty, kde přicházejí ke slovu specifické vlastnosti jejich interakcí. Odpudivé síly mezi částicemi mohou zabránit požadované interakci, při stejných podmínkách mohou probíhat různé druhy procesů, vznikají nové částice často s krátkou dobou života. Pro poznání struktury elementárních částic a podstaty sil, které mezi nimi působí, je nutné realizovat srážky částic při co největších energiích. Při takových kolizích částice vzájemně proniknou "hluboko do svých niter" a výsledek interakce může leccos vypovědět o jejich stavbě. Vlivem kvantových procesů v polích silných, slabých a elektromagnetických interakcí vznikají při vysokoenergetických srážkách nové sekundární částice, které jsou jednak zajímavé samy o sobě, jednak nesou důležité informace o charakteru fundamentálních přírodních sil, včetně možností jejich jednotného chápání v rámci unitární teorie pole. Srážky částic při vysokých energiích jsou jakousi "sondou" do nejhlubšího nitra hmoty - a zároveň i do procesů vzniku vesmíru (viz §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Lze říci, že velké urychlovače jsou nejvýkonnějšími "mikroskopy"*) do nitra hmoty a s trochou nadsázky zároveň i největšími "teleskopy", které umožňují "dohlédnout" až k velmi raným fázím vývoje vesmíru, kam již žádné obvyklé astronomické dalekohledy dohlédnout nemohou. Nejedná se samozřejmě o přímé fyzické pozorování jevů v počátku vesmíru, ale o jejich pokud možno věrnou experimentální simulaci.
*) Ve spektru "nástrojů zkoumání" na obr.1.0.1 leží na levém okraji (§1.0. , část "Metody a nástroje zkoumání přírody").
  Co se týče druhu urychlovaných částic, některé typy urychlovačů jsou "univerzální" a mohou v principu fungovat pro různé druhy částic, pokud je poskytuje iontový zdroj; tuto vlastnost mají lineární urychlovače nebo synchrotrony. Jiné typy jsou schopné urychlovat pouze určité druhy částic, např. betatron pouze elektrony. V praxi jsou však urychlovače svým konstrukčním uspořádáním většinou "specializované" a dělí se na urychlovače elektronů, protonů a těžších iontů.
Luminozita urychlovačů
Intenzita (četnost), s jakou probíhají interakce urychlených částic, závisí na hustotě jejich toku. Charakterizuje se pomocí veličiny zvané luminosita urychlovače L [cm
-2s-1], což je počet částic na cm2 za sekundu (jakási "svítivost", "světelnost"). Na velkých colliderech dosahuje luminosita L»1031-1033cm-2s-1, u urychlovačů pracujících s pevným terčíkem pak bývá až L»1035cm-2s-1.
    Podle způsobu technické realizace a tvaru dráhy, na níž urychlování částic probíhá, rozdělujeme urychlovače na dva základní typy:
lineární a kruhové (cyklické) - oba typy budou podrobněji popsány níže. Zmíníme předtím ještě jeden zajímavý a možná perspektivní typ urychlovačů, který je zatím ve stádiu výzkumu a vývoje:
Laserové plasmové urychlovače LWFA
Při průchodu intenzivního světelnho paprsku z laseru plynným prostředím dochází k ionizaci plynu, vzniká plasma. Ozáříme-li plynné prostředí velmi intenzívním krátkým pulzem laserového světla, vzniká v prostředí plasmová stopa, která za sebou strhává uvolněné elektrony. Elektrony se zde pohybují v prostředí kladných iontů za působení Coulombovy elektrické síly, přičemž může docházet k periodickému vychylování souboru elektronů vůči souboru iontů (které se díky své podstatně větší hmotnosti téměř nepohybují) - k oscilacím elektronů v Coulombickém poli, doprovázeným periodicky proměnným elektrickým polem. Vzniká jakási stopa vlnící se koncentrace elektronů a intenzity elektrického pole - plasmová vlna, podobná vlnící se stopě či brázdě, kterou za sebou zanechává loď rychle plující po vodní hladině. Frekvence oscilací elektronů v plasmové vlně (plasmová frekvence) je
wp = Ö[rp.e2/(eome)], kde me hmotnost elektronu, e náboj elektronu, rp hustota plasmy (počet částic na m3), eo permitivita vakua. Při oscilacích elektronů v plasmové vlně vzniká střídavé elektrické pole o amplitudě intenzity Emax = me.wp.c/e. Urychlující elektrický gradient v lineární plasmové vlně tedy může dosahovat maximální hodnoty E = c.Ö(me.rp/eo), úměrné odmocnině hustoty plasmy. Pro hustoru plasmy rp» 1018částic/cm3 dosahuje urychlující gradient hodnot E»1GeV/cm, což je o 2-3 řády vyšší než v lineárních urychlovačích.
    
  Podélná složka oscilujícího elektrického pole v této plasmové vlně může za určitých okolností (synchronizované energie a hybnosti) urychlovat elektrony, které jsou neseny na vlně elektrického pole (podobně jako je tomu u vysokofrekvenčních lineárních urychlovačů popsaných níže). Při použití laseru s pikosekundovými pulsy vysoké intenzity (cca 1018W/cm2) vzniká velmi intenzívní podélné urychlovací pole, které může elektrony urychlit na energii asi 50MeV (ve špičkových laboratorních experimentech se podařilo dosáhnout i energie řádově GeV, elektronový výtěžek je však zatím velmi malý). Pokusné urychlovače na tomto principu dostaly název LWFA (Laser Wake Field Accelerator - laserové urychlovače stopovým polem, angl. wake = stopa za lodí, brázda). Jejich výhodou jsou malé rozměry; rychlý pokrok laserové techniky slibuje možnosti efektivního urychlování, řízeného několika sekvenčními laserovými pulzy. Podaří-li se tuto technologii dotáhnout do stádia praktické použitelnosti, pak takový maličký "stolní" LINAC, urychlující v laserem vzbuzené plasmové vlně na centimetrové dráze elektrony na energie desítky a stovky MeV, by našel široké uplatnění ve výzkumu, průmyslu i medicíně.
  Dělají se experimenty i s laserovým urychlováním protonů. Krátké vysoce výkonné světelné impulsy se pouštějí do tenké fólie, z níž vyrážejí elektrony o vysokých energiích; ty pak svým elektromagnetickým polem urychlují protony.

Kombinace více urychlovačů
Pro některé speciální experimentální a technické aplikace se kombinují dva či více lineárních nebo kruhových urychlovačů do jednoho většího systému. Je to především pro získání velmi vysokých energií částic, které jsou nejdříve předurychleny v menších urychlovačích a pak se injektují do velkého urychlovače k finálnímu urychlení (viz níže "
Velké urychlovače"). Některé nově vyvíjené systémy pro protonovou radioterapii (§3.6 "Radioterapie", část "Hadronová radioterapie") kombinují předurychlení protonů v menším cyklotronu s definitivním urychlením v lineárním urychlovači za účelem lepších možností elektronické regulace energií protonů pro zacílení Braggova maxima hloubkové dávky do oblasti tumoru.

Primární a sekundární záření z urychlovačů
Urychlené nabité částice tvoří tzv. primární svazek, který může být využit dvojím způsobem:
¨ Přímé využití primárního svazku,
který po dopadu na vhodný terčík (či v interakci vstřícných svazků) vyvolává požadovanou interakci pro studium elementárních částic, výrobu radionuklidů, radioterapii nebo pro jiný radiační analytický či technologický proces. Terčíkem zde může být ozařovaný technologický materiál, nebo i tělo pacienta - nádorová tkáň ("
Radioterapie").
¨ Využití sekundárního záření,
které vzniká při dopadu a interakci primárních urychlených částic s terčíkem. Druh a vlastnosti tohoto sekundárního záření závisí především na druhu a energii primárních částic a dále na materiálu a provedení terčíku. U urychlených elektronů je to především brzdné záření
g (spojité spektrum podobně jako u X-záření, ale podstatně vyšší energie). Urychlené protony mohou při interakci s terčíkovými jádry poskytovat sekundární neutrony, p- a K-mezony, antiprotony, hyperony atd., v závislosti na energii. Sekundární záření může být vyváděno v tz. sekundárních svazcích k vlastnímu použití. V medicínské oblasti je nejčastější použití brzdného g-záření z elektronového urychlovače v radioterapii (viz §3.6 "Radioterapie", ve stádiu vývoje je terapie p--mezony či antiprotony).
   Svazek vysokoenergetických částic, ať již primárních či sekundárních, může být k příslušným interakcím využíván buď uvnitř urychlovače, kde vzniká (je instalován vnitřní terčík), nebo může být pomocí vhodných elektromagnetických polí směrován a vyveden ven z urychlovače. Pomocí vakuových transportních trubic je pak veden do prostoru laboratoře, k interaci s atomy a jádry vnějšího terčíku (viz též níže pasáž "Terčík"). Zmíníme na tomto místě tři specifické způsoby využití sekundárního záření, produkovaného urychlovači, které mají praktické využití i mimo vlastní jadernou fyziku:
Urychlovače jako generátory brzdného g-záření
Jsou-li urychlovanými částicemi elektrony, pak při jejich dopadu na terčík z těžkého materiálu, nejčastěji wolframu, vzniká brzdné elektromagnetické záření se spojitým spektrem. Jeho maximální energie se téměř rovná kinetické energii urychlených dopadajících elektronů. Toto je velmi častý způsob produkce tvrdého fotonového záření pro použití v jaderné fyzice, analytických metodách (§3.4 "
Radiační analytické metody materiálů") a především v radioterapii (§3.6 "Radioterapie"). Jako urychlovače elektronů se používá buď betatron, nebo častěji lineární urychlovač (oba způsoby jsou popsány níže, viz též §3.6, část "Isocentrická radioterapie", obr.3.6.1).
Urychlovače jako neutronové generátory
Urychlovače ve speciálním uspořádání mohou sloužit jako elektronické zdroje neutronového záření - tzv. neutronové generátory. Neutrony vznikají nebo se uvolňují v řadě částicových a jaderných reakcí. Z hlediska snadné a účinné produkce neutronů jsou nejvýhodnější reakce jader tritia a deuteria. Stačí, abychom urychlili deuterony na energii cca 100-200keV a nechali je dopadat na terčík obsahující tritium, aby docházelo k jaderné reakci
2D1 + 3T1 ® 1n0 + 4He2 (+17,6MeV), při níž se uvolňují neutrony. K tomu stačí docela malý "stolní" lineární urychlovač. Analogická reakce D + D ® 1n0 + 3He (+3,3MeV) je méně výhodná, neboť má nižší účinný průřez a deuterony musejí být urychleny na vyšší energii, cca 1MeV. Základní uspořádání takového neutronového generátoru sestává ze tří hlavních částí: iontového zdroje, urychlovacího a fokusačního systému a terčíku. Do iontového zdroje se napouští zředěné deuterium, které se elektrickým výbojem ionizuje. Ionizované atomy deuteria - deuterony - se z této plasmy elektrickým polem přivádějí mezi elektrody urychlovacího a fokusačního systému. Urychleným svazkem deuteronů se bombarduje tritiový terčík; tritium je vázano ve formě hydridu v tenké povrchové vrstvě absorbátoru, nejčastěji titanu, zirkonu či skandia, podkladový materiál terčíku se chladí, pro vysoké výkony se používá diskovitý rotující terčík (svazek pak zasahuje každé jeho místo pouze velmi krátký časový okamžik, během kterého se exponované místo nepřehřeje a teplo se stačí odvést - podobně jako v rentgence s rotující anodou). Jaderná reakce deuteria s tritiem je exotermická a vylétají při ní téměř monoenergetické neutrony s energií asi 14MeV *) (z terčíku vylétají prakticky izotropně do celého prostorového úhlu). Při energii deuteronů 200keV a intenzitě jejich svazku 1mA se dosahuje výtěžek cca 2.106 neutronů/sekundu. Při snaze o dosažení vysokých výtěžků neutronů, vyšších než cca 2.1011 n.s-1, se tritiový terčík rychle vyčerpává. Byly proto vyvinuty speciální uzavřené urychlovací systémy - tzv. neutronové trubice, plněné zředěnou směsí deuteria D a tritia T (regulovaně doplňovanou, s odvodem hélia). Oba tyto druhy iontů, D+T vytvářené výbojem v iontovém zdroji, se současně urychlují a bombarduje se jimi terčík, v jehož povrchové vrstvě se ustálí stejná koncentrace atomů D a T; požadovaná reakce pak nastává nárazy urychleného D na T v terčíku, i při nárazech urychleného T na terčíkové D. V poslední době jsou konstruovány i miniaturní neutronové generátory (laboratorní, "stolní"), používající vysokofrekvenční urychlování iontů D a T. Schématický nákres principu neutronových generátorů bude doplněn... (zatím viz náznakové vyobrazení na konci §4.3, část "Neutrony stimulovaná emisní počítačová tomografie NSECT").
*) Přímé použití těchto vysokoenergetických neutronů je vhodné u neutrony stimulované jaderné gama-spektrometrické analýzy. Pro neutronovou aktivační analýzu je zapotřebí tyto neutrony zpomalit v moderátoru.

   Neutronové záření nachází uplatnění při neutronové aktivační analýze (§3.4, část "
Neutronová aktivační analýza"), v některých radiačních technologiích, zkouší se i v radioterapii (§3.6, část "Hadronová radioterapie").
Urychlovače jako generátory synchrotronového záření
Zcela speciální způsob využití sekundárního záření z urychlovače spočívá ve využití synchrotronového záření *). Je to elektromagnetické záření, které vyzařuje nabitá částice při pohybu po zakřivené dráze. Z hlediska funkce kruhových urychlovačů je to jev "parazitní" a nepříznivý, který "užírá" kinetickou energii urychlovaných částic a brání dosahovat vysokých energií, zvláště u elektronů. Avšak UV a rtg složka synchrotronového záření může být použita v některých aplikacích při analýze materiálů i v biologii a medicínské diagnostice. Proto se konstruují speciální urychlovače pro produkci synchrotronového záření, jak je níže stručně popsáno.
*
) Název vznikl z toho, že toto záření (ve viditelné části spektra) bylo poprve pozorováno v r.1947 na synchrotronu GE v New Yorku při urychlování elektronů na kruhové dráze. Intenzívní synchrotronové záření vzniká ve vesmíru při rychlém pohybu elektronů v silném magnetickém poli kolem kompaktních objektů, především neutronových hvězd, které jsou pozorovány jako pulsary - podrobněji §4.2. "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps", část "Pulsary", obr.4.3, knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Zde se však budeme zabývat umělou výrobou synchrotronového záření na urychlovačích.
   Částice s klidovou hmotností m
o a nábojem e, pohybující se s kinetickou energií E po dráze o poloměru zakřivení R, podle zákonů elektrodynamiky (viz §1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice." monografie "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"; plyne z Larmorova vzorce (1.61')) vyzařuje elektromagnetické vlny o výkonu P = (2/3).(e2.c/R2).[E/moc2]4. Z tohoto vztahu je vidět, že vyzařování je podstatné pouze pro lehké nabité částice, elektrony či pozitrony, pohybující se s vysokou energií, tj. s relativistickou rychlostí, po silně zakřivené dráze. Při pomalém pohybu (nerelativistickou rychlostí) se obíhající částice jeví jako oscilující elektrický dipól, vyzařující slabé monochromatické záření s frekvencí danou periodou oběhu (podobně jako vysílací anténa), prakticky do všech směrů (s vyzařovacím diagramem podle obr.1.4 zmíněného odkazu). Při pohybu částice relativistickou rychlostí je však elektromagnetické záření vysíláno v úzkém kuželu, jehož osou je tečna k orbitě částice v daném bodě. Úhel otevření tohoto kužele je přibližně rovný moc2/E. Vnější pozorovatel uvidí záření jen během doby, kdy tento kužel protíná jeho stanoviště ("majákový efekt"). Při pohybu částice po kruhové dráze bude tedy pevný pozorovatel či detektor registrovat pulzy záření, jejichž frekvence je dána dobou oběhu částice T=L/c, kde L je délka orbity. Spektrum vlastního synchrotronového záření S se skládá z řady harmonických složek, které jsou v důsledku průběžného pohybu po orbitě natolik "rozmazané", že se výsledné spektrum jeví jako spojité, s maximem energie kolem ESmax[keV] » 2400.Ee3[GeV]/R[m] » 0,6.B[T].Ee2[GeV] (pohyb elektronu s kinetickou energií Ee po dráze s poloměrem zakřivení R, pod vlivem magnetického pole o intenzitě-indukci B). V oblasti vyšších energií než ESmax spektrální intenzita záření rychle klesá.
        
   Experimenty se synchrotronovým zářením se dříve prováděly na synchrotronech určených k urychlování elektronů
("parazitní" využití). Později však byly konstruovány speciální jednoúčelové urychlovače, optimalizované pro produkci synchrotronového záření (2.generace). Neobsahují žádný terčík, ani se z nich žádné částice nevyvádějí. Elektrony jsou urychlovány v akumulačním prstenci - evakuované trubici tvaru mnohoúhelníku, v jehož zaoblených vrcholech jsou umístěny ohybové magnety. Do jedné z přímých sekcí se vstřikují elektrony, v druhé jsou urychlující elektrody (vysokofrekvenční rezonátor). Částicím se dodává jen tolik energie, kolik se jí elektromagneticky vyzáří, takže elektrony mohou v trubici cirkulovat dlouhou dobu (elektrony, které vypadnou z cirkulace v důsledku srážky s atomy zbytkového plynu v trubici, jsou doplňovány z injektoru). Synchrotronové záření se odebírá ze zakřivených drah v ohybových vrcholech. U některých typů (3.generace) jsou do dráhy svazku v přímých sekcích trubice vložena speciální magnetická zařízení, tvořená sérií magnetů s periodickým střídáním směru. Jejich úkolem je horizontálně či vertikálně zvlnit dráhu elektronů. Jsou to tzv. undulátory ("zvlňovače") se slabším polem a viglegy (angl. wiggle=třepotat, třást se) se silným magnetickým polem (cca 10T). V undulátoru je dráha elektronů zvlněna jen slabě, což vede k vyzařování harmonicky modulovaného signálu, téměř monochromatické vlny, jejíž vlnová délka je dána tzv. undulátorovou rovnicí: l = [lU/2(1-v2/c2) ]. (l + K2/2) s undulátorovým parametrem K = e.Bo.lU/2pmec. V těchto rovnicích lU je undulátorová perioda (prostorová vzdálenost opačné polarity elektromagnetů undulátoru), e je náboj elektronu a me jeho klidová hmotnost, Bo maximální hodnota magnetického pole, c rychlost světla. Změnou energie (rychlosti) elektronů, nebo intenzity magnetického pole lze tedy v širokém rozsahu měnit vlnovou délku výstupního záření. V silných magnetech vigleru se dráhy elektronů prudce periodicky zakřivují, což vede k intenzívnímu vyzařovaní synchrotronového záření kratších vlnových délek.
  Pro produkci synchrotronového záření se začínají používat i lineární urychlovače elektronů (4.generace zdrojů), jejichž zhuštěný oblak (bunch) při průchodu dlouhým undulátorem interaguje s buzenou elektromagnetickou vlnou, kterou sám vytvořil. Elektrony jsou v něm mírně zpomalovány nebo zrychlovány (podle toho, zda jsou ve fázi nebo protifázi) tzv. ponderomotorickou sílou, čímž vzniká uvnitř elektronových obláčků redistribuce elektronové hustoty s jemnou podélnou strukturou o prostorové periodě odpovídající přibližně vlnové délce záření - nastává tzv. mikrobunching. V této pravidelné "mikroobláčkové" struktuře lze dosáhnout synchronizace a koherentního skládání elektromagnetického záření z jednotlivých mikro-shluků elektronů. Pokud elektrony vyzařují synchronně se shodnou fází, výstupní záření dosahuje mnohonásobně vyšší intenzity a značného stupně koherence. Toto spontánní "samozesílení" záření z periodicky "samo"-modulovaného elektronového oblaku v undulátoru je analogické vzniku záření v laserech - jedná se zde o jakýsi "laser" s volnými elektrony (FEL - Free Electron Laser). Elektrony opouštějící undulátor jsou pomocí magnetického pole odchylovány a vedeny pryč (do absorbátoru nebo k příp. dalšímu použití), aby nekontaminovaly výstupní svazek fotonového záření. Systémy FEL se zatím experimentálně zkoušejí na velkých lineárních urychlovačích elektronů
(nejvyšší dosud použitá energie elektronů byla 14GeV na urychlovači SLAC ve Stanfordu, kde délka undulátoru činila 112m s 33 segmenty o magnetickém poli 1,25T; výstupní koherentní X-záření dosahovalo energie 8,25keV a fluence 1012 fotonů v pulzu délky 0,07ps).
  Při energiích urychlovaných elektronů E
e»2-10GeV je tak možno získat širokou škálu vlnových délek i v rentgenové oblasti. Hlavní předností těchto specializovaných zdrojů synchrotronového záření, označovaných též někdy jako "fotonové továrny", je vysoká intenzita záření, jeho úzká úhlová kolimace, pulzní charakter, dobrá definovatelnost, stabilita a nastavitelnost parametrů.

Iontový zdroj a terčík
Než se budeme zabývat jednotlivými typy urychlovačů, zmíníme se o dvou součástech, které mají všechny urychlovače: zdroj urychlovaných částic a terčík.
¨ Zdroj urychlovaných částic (iontový zdroj)
emituje do "startovacího" místa urychlovacího systému požadovaný druh částic, jako jsou elektrony, protony či těžší ionty. V nejjednodušším případě se jedná o ionizační trubici obsahující příslušný zředěný plyn (např. vodík H), kde v doutnavém výboji mezi katodou a anodou (při napětí cca stovky voltů až desítky kV) vznikají ionty (u vodíku jsou to protony p
+) a ty jsou pomocí tenké kapiláry vedeny "odsávací" elektrodou do urychlovacího systému. Pro získání těžších jader (iontů) se používá výboj ve zředěném plynu (obsahujícím příslušný prvek) při dostatečně vysokém napětí, aby docházelo k ionizaci i na K slupce. Vznikají přitom ionty s různým stupněm ionizace, z nichž je potřeba požadovaná jádra (ionty s nejvyšším stupněm ionizace) odseparovat pomocí elektrického a magnetického pole a zavést je do urychlovacího systému.
  Pro urychlovače elektronů je zdrojem prostá žhavená katoda (termoemise elektronů) opatřená vhodnými urychlujícími a fokusujícími anodami - "elektronovým dělem" - podobně jako u obrazovky. Popř. může být katoda opatřena mřížkou pro elektronickou regulaci toku elektronů.
  V poslední době se vyvíjejí i laserové zdroje, v nichž je emise částic generována vysokou koncentrací energie z krátkých a velmi intenzívních laserových pulzů, dopadajících na vhodný terčík. Vznikají tak prvotní oblaky (bunch) částic, elektronů nebo iontů, které jsou pak urychlovány v pulsním vysokofrekvenčním režimu v urychlovačích.
  Složitěji se pro urychlení získávají antičástice. Pozitrony se získávají ostřelováním terčíku z materiálu s vysokým protonovým číslem Z (např. wolframu) urychlenými elektrony, přičemž elektromagnetickou interakcí v poli jader vznikají m.j. pozitrony e
+. Podobně antiprotony p' je nutno získávat ostřelováním vhodného terčíku protony urychlenými na energie vyšší než 3GeV, kdy dochází m.j. k reakcím p + p ® 2p + p + p'.
  U velkých urychlovačů vysokých energií se jako zdroje částic k urychlení někdy používají injektory - do hlavní komory jsou "předurychlené" částice vstřikovány pomocným lineárním či kruhovým urychlovačem (s energií jednotky až desítky MeV, popř. GeV) a následně urychlovány na požadovanou vysokou energii (GeV či TeV).
¨ Terčík,
na nějž dopadá svazek urychlených částic, je buď vnitřní - je umístěn uvnitř urychlovacího systému, nebo vnější - svazek částic je vyveden ven z urychlovací trubice. Terčík může dále být pevný, nebo místo něj může být interakční oblast, kde se částice střetávají ve vstřícných svazcích (viz níže "Vstřícné svazky - collidery"). Rovněž sekundární částice, produkované na vnitřním terčíku (jako jsou
p nebo K mesony), se působením magnetického a elektrického pole vyvádějí ve formě svazku do prostoru laboratoře, kde jsou umístěny měřící aparatury (detekční přístroje, bublinové komory atd.). Při dopadu urychlených částic na (pevný) terčík se většina kinetické energie částic mění na teplo - ostřelovaný terčík se zahřívá. Aby nedošlo k jeho tepelnému poškození či odpaření terčíkové látky, je nutno toto ztrátové teplo (může činit i stovky wattů) odvádět - terčík se fixuje na masívní kovovou podložku s dutinou, chlazenou protékající vodou (podobně jako anody výkonových rentgenových trubic). Terčík ani interakční oblast nemají speciální urychlovače pro produkci synchrotronového záření, zmíněné výše.
   Terčík či obecně místo, kde dochází k interakcím urychlených částic, bývá opatřen detektorem sekundárních částic. V jednodušších případech slouží k monitorování vznikajících jaderných reakcí. U velkých urychlovačů pro výzkum interakcí částic je tvořený často celým složitým detekčním systémem, umožňujícím podrobnou analýzu drah, energií, hybností a dalších charakteristik sekundárních částic vznikajících při vysokoenergetických interakcích - viz §2.1, pasáž "Uspořádání a konfigurace detektorů záření".
  Další nezbytnou součástí urychlovačů je evakuovaná trubice, v níž se částice pohybují a v níž je umístěn urychlovací systém elektrod či vlnových rezonátorů. A samozřejmě zdroj urychlovacího elektrického napětí - viz níže pasáž "Elektrické napájení urychlovačů".

Vstřícné svazky - collidery
Dopadá-li urychlená částice na (pevný, nepohyblivý) terčík a tam se srazí s další částicí nebo jádrem, spotřebuje se na vlastní interakci ve skutečnosti jen malá část kinetické energie nalétající částice, neboť podle zákona akce a reakce se část energie dopadající částice přemění na kinetickou energii odražené částice a nově vzniklých částic. Pro výsledek interakce je důležitá kinetická energie v těžišťové soustavě (CMS) obou částic - jen ta se skutečně "spotřebuje" na vlastní interakci.
*) Podstatného zvýšení efektivní energie interakce můžeme dosáhnout tím, že nalétající a terčíková částice se budou pohybovat proti sobě se srovnatelně vysokými kinetickými energiemi (resp. hybnostmi). Obě takové částice se pak po srážce prakticky zastaví a skoro celá jejich kinetická energie se může využít na vlastní interakci a tvorbu nových částic. V tom spočívá metoda vstřícných svazků bez použití klasického terčíku: obě částice, jejichž interakce chceme zkoumat, se urychlí na vysoké energie a ve vstřícných svazcích se pouštějí proti sobě tak, aby se vzájemně čelně srážely a interagovaly. Oba svazky se urychlují buď v jedné trubici (např. elektron-pozitronové svazky), nebo ve dvou různých trubicích. V daném místě urychlovacího prstence se oba svazky urychlených částic, letících opačným směrem proti sobě, působením magnetického pole fokusují a navedou se tak, aby se čelně srážely. Přístroje tohoto druhu se nazývají collidery ("srážeče") a umožňují studovat interakce částic při podstatně vyšších efektivních energiích než je tomu u klasických urychlovačů s pevnými terčíky - v současné době se dosahuje až TeV. Místo, kde dochází k interakcím vstřícných svazků, interakční oblast, je obklopeno složitým detekčním systémem (jak bylo výše zmíněno, viz též pasáž "Velké urychlovače, LHC") pro detailní studium sekundárních částic. Collidery se používají pouze pro badatelský výzkum interakcí částic při velmi vysokých energiích, za vzniku nových "exotických" částic.
*) Vztah mezi energií interakce v laboratorní a těžišťové vztažné soustavě je dán dynamickou analýzou srážky za použití zákona zachování energie a hybnosti. Při nárazu částice klidové hmotnosti mo, pohybující se s kinetickou energií E, na stejnou částici v klidu, je efektivní energie interakce Eef= E1/2.(moc2)1/2. Srazí-li se např. proton s kinetickou energií 400GeV s terčíkovým protonem v klidu, pro interakční produkci nových částic zůstane pouze energie 28GeV. S rostoucí energií energetická účinnost interakce prudce klesá. Např. pro dosažení efektivní energie Eef=6TeV bychom při pevném terčíku museli ozařovat protony s kinetickou energií asi 2.104TeV (k čemuž by i za použití výkonných elektromagnetů s B=7T byl potřeba kruhový urychlovač protonů s obvodem cca 105km - větší než obvod Země!). Při vstřícné srážce stejných částic, které se proti sobě pohybují se stejnou kinetickou energií E, je však pro interakci k dispozici celá energie Eef=2.E - je to tedy jediný prakticky použitelný způsob dosažení velmi vysokých efektivních energií interakcí.
  Aby vstřícné srážky byly dostatečně časté, je třeba zajistit značně vysokou intenzitu obou svazků (luminozitu). Proto se na některých urychlovačích používají speciální akumulační prstence, v nichž se v silném magnetickém poli hromadí urychlené částice (např. protony a antiprotony) z několika dávek a teprve po dosažení dostatečné intenzity se realizuje srážka ve vstřícných svazcích.

Lineární urychlovače
Lineární urychlovače urychlují nabité částice působením elektrického pole během jejich pohybu po lineární přímkové dráze. Lineární urychlovač se často zkráceně nazývá Linac (Linear accelerator). Můžeme je rozdělit na elektrostatické (vysokonapěťové) a vysokofrekvenční.


Obr.1.5.5. Zjednodušené schéma lineárního urychlovače elektrostatického (vlevo) a vysokofrekvenčního (vpravo).

  Základní schéma elektrostatického lineárního urychlovače je na obr.1.5.5 vlevo. Z iontového zdroje vstupují požadované částice (elektrony, protony, deuterony a pod.) do urychlovacího systému, tvořeného několika souosými kovovými válcovými elektrodami V1, V2, ...,Vn, mezi nimiž je rozloženo postupně vzrůstající vysoké napětí U1, U2, U3, ....,Un. Elektrostatickým polem jsou nabité částice s nábojem q na lineární dráze urychlovány na energii E = q . (U1+U2+U3+ ...+Un) danou součtem napětí na jednotlivých elektrodách. Mezera mezi dvěma po sobě následujícími válcovými elektrodami působí na letící částice jako "elektrická čočka" (je to podobné jako v obrazovce), fokusující proud částic do úzkého svazku, který nakonec dopadá na terčík. Urychlovací elektrody jsou napájeny vysokým napětím buď z elektronického kaskádního násobiče (soustava vhodně zapojených diod a kondenzátorů), nebo z elektrostaticko-mechanického Van de Graffova generátoru. Používá se napětí od několika stovek kilovoltů až asi do 5MV (vyšších napětí je obtížné dosáhnout pro vznik korónových a jiskrových výbojů).
............... tandemové urychlovače?
  Efektivnější způsob, jak na lineární dráze urychlit nabité částice na značně vysokou energii bez použití extrémně vysokého napětí, je realizován ve vysokofrekvenčním lineárním urychlovači, jehož nejjednodušší schéma je na obr.1.5.5 vpravo. Nabité částice z iontového zdroje Z vstupují do urychlovacího systému válcových elektrod V1, V2, V3, ...,Vn, které jsou připojeny ke střídavému elektrickému napětí U(t) = Uo.cos(w.t) =Uo.cos(2pf.t) o amplitudě Uo a frekvenci f. Liché válce jsou připojeny k jednomu pólu, sudé válce k druhému pólu vysokofrekvenčního zdroje vysokého elektrického napětí. Přijde-li kladná částice s nábojem q a hmotností m ze zdroje Z ve fázi, kdy první válcová elektroda V1 má záporný potenciál -Uo, pak získá energii E1 = q.Uo a rychlost v1 = Ö(2qUo/m), takže délku l1 uvnitř válce V1 proletí za čas t1 = l1/v1. Je-li frekvence f střídavého napětí volena tak, aby urychlená částice vstoupila do mezery mezi válci V1 a V2 v čase, kdy se polarita obrátí a válec V1 má kladný a V2 záporný potenciál, je částice znovu urychlena o energii q.Uo, t.j. má již energii 2.q.Uo. Je-li synchronizace mezi frekvencí f, napětím Uo a délkami elektrod lk *) volena tak, aby se vždy během průchodu mezi jednotlivými válcovými elektrodami Vk obrátila polarita střídavého napětí, budou se tyto "synchronní" částice při průchodu každou elektrodou znovu a znovu urychlovat.
*) Jak je vidět z obr.1.5.5 vpravo, k dosažení synchronizace se musí délka válcových elektrod V
k postupně zvyšovat, jak narůstá rychlost částic. Toto již neplatí při dosažení rychlosti blízké rychlosti světla, kdy se při urychlování již rychlost částice prakticky nezvyšuje; s kinetickou energií roste jen relativistická hmotnost částice.
Stojí též za zmínku, že k vlastnímu elektrickému urychlení částice dochází v mezerách mezi elektrodami, zatímco uvnitř kovového válce, kde je gradient elektrického pole blízký nule (elektrické pole je odstíněno), prolétají částice setrvačností (to platí i u elektrostatického urychlovače v levé části obrázku).
   Vývoj těchto urychlovačů postupoval tak, že frekvence f se zvyšovala, přičemž místo válcových elektrod se používají dutinové rezonátory. Novější lineární urychlovače užívají pro vytvoření urychlujícího pole vlnovodu, rozděleného vhodnými diskovými výběžky na řadu rezonančních dutin a napájeného frekvencí několika GHz (nejčastěji kolem 3GHz) z klystronového nebo magnetronového generátoru (stručně popsaných níže). Ve vlnovodu se vytváří vysokofrekvenční střídavé elektromagnetické pole ve formě postupné nebo stojaté elektromagnetické vlny. Pokud se v poli této nosné vlny urychlovaná nabitá částice pohybuje synchronizovaně, na částici působí stálá urychlující síla daná elektrickou složkou E elektromagnetické vlny. Částice k urychlení se do urychlovacího systému dutinových rezonátorů či vlnovodů vstřikují z iontového zdroje, či elektronové trysky v případě elektronů, ve formě "shluků" (bunch) v pulzním režimu, v přesné elektronické synchronizaci *) s urychlujícím vysokofrekvenčním polem.
*) Aby ve vysokofrekvenčním poli na částici působila stálá urychlující elektrická síla, musí do vlnovodného urychlovacího systému vstoupit ve vhodné fázi a s rychlostí blízkou fázové rychlosti vlny - musí být splněna synchronizační podmínka. Pulzní režim iontového zdroje (resp. elektronové trysky) a vysokofrekvenčního generátoru je řízen elektronickým obvodem osazeným speciálními výkonovými spínacími součástkami - je to buď speciální elektronka thyratron nebo polovodičový tyristor. Urychlovací vlnovodný systém je tvořen několika speciálně tvarovanými kovovými (měděnými) rezonančními dutinami, řazenými za sebou. Elektrony jsou v pulzních dávkách do urychlovacího systému vstřikovány z elektronové trysky ("děla") s energiíí cca 30-50keV, protony z iontového zdroje s energií podstatně vyšší. Rezonanční dutiny na počátku urychlovacího systému mají kratší délku a vzdálenosti mezi sebou, další se prodlužují tak, aby se fázová rychlost elektrického pole shodovala s narůstající rychlostí částice. Celý systém je trochu podobný obr.1.5.5 vpravo, avšak místo válcových elektrod je větší počet rezonančních dutin a místo vodičů, přivádějících střídavé napětí, vede do počáteční části trubice vlnovod z magnetronu nebo klystronu.
  Malé lineární urychlovače elektronů jsou nyní velmi často používány v radioterapii - viz §3.6 "Radioterapie" (kde postupně vytlačily dříve používané betatrony), především jako zdroj tvrdého brzdného záření gama o energiích cca 5-40MeV. Velké vysokofrekvenční lineární urychlovače s nosnou vlnou se používají pro energie až desítky GeV, projektovány jsou i pro oblast několika TeV. Používají se buď jako samostatné základní přístroje, nebo mohou sloužit k předurychlení částic - jako injektory pro velké synchrotrony (viz níže, obr.1.5.6 vpravo nahoře). Na rozdíl od kruhových urychlovačů, kde jedním urychlovacím systémem jsou částice opakovaně mnohokrát urychlovány, v lineárním urychlovači dochází k postupnému urychlování v mnoha urychlovacích systémech řazených přímkově za sebou. I při použití vysokých gradientů (až 100MV/m) a vysokých frekvencí (až 30GHz) pro dosažení vysokých energií (řádově až TeV) činí délka největších lineárních urychlovačů i několik kilometrů!

Kruhové urychlovače (cyklické)
Velmi efektivním způsobem, jak urychlit nabité částice na vysoké energie, je jejich mnohonásobné urychlení v elektrickém poli, kam jsou částice opakovaně vraceny po kruhové dráze působením magnetického pole *). Na částici s nábojem q je zde aplikována nejen elektrická urychlující síla F
e = q.E, ale i Lorentzova síla Fm = q.[v ´ B] působící v magnetickém poli intenzity B kolmo ke směru pohybu nabité částice rychlostí v. Tato magnetická síla způsobuje, že nabitá částice se bude pohybovat po kruhové dráze o poloměru R = m.v.c/(q.B). Je-li ve vhodných místech této kruhové dráhy synchronně aplikováno elektrické urychlující pole (v tečném směru), budou částice periodicky urychlovány při každém svém oběhu.
*) Toto magnetické pole je generováno elektromagnety - cívkami, jejichž závity prochází silný elektrický proud. V poslední době se často používají supravodivé elektromagnety, což podstatně snižuje spotřebu elektrické energie (fyzikální principy supravodivosti jsou stručně rozebírány výše v pasáži "Fermiony v úloze bosonů; Supravodivost").

C y k l o t r o n
Základním typem kruhového urychlovače je cyklotron
(první cyklotron vyvinul E.O.Lawrenc již v r.1932), jehož princip je schématicky znázorněn v levé části obr.1.5.6.


Obr.1.5.6. Vlevo: Schématické znázornění cyklotronu. Vpravo: Schématické znázornění synchrotronu.

Mezi póly silného elektromagnetu jsou v ploché vakuové komoře upevněny dva duté kovové poloválce D1 a D2, tzv. duanty, mezi nimiž je urychlovací mezera. Duanty jsou připojeny ke zdroji střídavého napětí U = Uo.cos(2pf.t) o frekvenci f (závisí na síle magnetického pole a hmotnosti urychlovaných částic - protony, deuterony či těžší jádra; bývá kolem 20MHz), takže v mezeře mezi deskami je střídavé elektrické pole. Nabité částice vstupují do středu urychlovací mezery z iontového zdroje ]. Následkem síly, kterou elektrické pole v mezeře působí na částici s nábojem q a hmotností m, je částice vtažena do jednoho z duantů (který má právě opačnou polaritu) s určitou rychlostí v1. Uvnitř duantu, kde je elektrické pole odstíněno, působením silného magnetického pole B opíše částice půlkružnici o poloměru R1 = m.v1/(q.B) (tento poloměr je dán rovnováhou mezi odstředivou silou a Lorentzovou magnetickou silou: m.v12/R1 = q.B.v1). Doba, za kterou projde částice tuto půlkružnici, je T = pR1/v1 = pm/(q.B) - vidíme, že tato doba (půl-perioda) oběhu částice nezávisí na její rychlosti v1 ani na jejím poloměru dráhy R1; frekvence kruhového oběhu částice tedy je f = q.B/(2pm) a je konstantní *), protože m, q a B jsou v daném uspořádání konstanty. Jestliže jsou duanty napájeny střídavým napětím právě o této frekvenci f (je splněna podmínka rezonance či synchronizace), pak v okamžiku kdy částice opíše půlkružnici v prvním duantu a ocitne se opět v urychlovací mezeře, je polarita duantů již opačná a částice bude opět urychlena elektrickým polem, takže do druhého duantu vletí s větší rychlostí v2>v1. V druhém duantu se bude pohybovat opět po kružnici, nyní však o poloměru R2 = m.v2/(q.B), který je větší než byl R1, ale se stejnou periodou a frekvencí kruhového pohybu. Stejným způsobem je pak částice při každém svém průchodu mezerou mezi duanty znovu a znovu urychlována, přičemž se pohybuje po kružnicích s rostoucím poloměrem, tedy po spirále (obr.1.5.6). Z poslední své dráhy o maximálním poloměru (blízkém poloměru duantů) je urychlená částice elektrostaticky nebo magneticky vychýlena a vyvedena do prostoru terčíku, na nějž narazí a vyvolá tam patřičné jaderné procesy.
*) Jedná se o tzv. isochronní cyklotron (řec. isos=stejný, chronos=čas) - rovnoměrný v čase, pravidelný, s konstantní frekvencí. Technické řešení pro zachování isochronní funkce cyklotronu i pro vysoké energie urychlovaných částic bude nastíněno níže.
Synchrocyklotron 
Nastíněný princip činnosti cyklotronu bude při konstantní frekvenci fungovat jen do té doby, kdy hmotnost urychlované částice můžeme považovat za konstantní, tj. pouze v nerelativistické oblasti. Chceme-li použít cyklotron k urychlování částic na vyšší energie, kdy rychlost částic je již srovnatelná s rychlostí světla, přestává být setrvačná hmotnost částice m konstantní, ale zvyšuje se s rostoucí rychlostí: m = m
o/Ö(1-v2/c2). Ve stejném tempu se zvyšuje poloměr R = mo.v/[q.B.Ö(1-v2/c2)] a snižuje frekvence oběhu částic v konstantním magnetickém poli: f = [q.B/(pmo)].Ö(1-v2/c2). Aby mohla být částice dále urychlována i v této relativistické oblasti, je potřeba modulovat frekvenci urychlovacího napětí tak, aby byla stále v rezonanci s frekvencí oběhu částice; nebo zesilovat magnetické pole. Takto upravený cyklotron se "synchronizací" se nazývá synchrocyklotron nebo relativistický cyklotron (ve starší literatuře se vyskytuje i název "fázotron"). Tyto přístroje pracují v pulsním režimu, přičemž kmitočet urychlovacího napětí na duantech je modulován a mění se cca 50-krát za vteřinu z hodnot cca 25MHz na začátku cyklu na cca 12MHz na konci cyklu (závisí na síle magnetického pole a hmotnosti urychlovaných částic). Synchrocyklotrony se používají pro urychlování protonů na energie do asi 1GeV.
Izochronní cyklotron 
Alternativní možností k synchrocyklotronu je tzv. izochronní cyklotron, který pracuje při konstantní frekvenci, avšak magnetické pole se zvyšuje s poloměrem
(dosahuje se speciálním tvarováním pólových nástavců elektromagnetu) *). To vede k většímu zakřivení dráhy urychlované částice, kompenzaci vyšší setrvačné hmotnosti částice a zachování cyklotronové rezonance při konstantní frekvenci (a bez nutnosti časové modulace intenzity magnetického pole). Izochronní cyklotrony se používají pro energie protonů do cca 500MeV, přičemž jsou v kontinuálním režimu schopny produkovat podstatně vyšší tok urychlených částic než synchrocyklotrony.
*) Tento radiální gradient magnetického pole však má rozbíhavý účinek na obíhající částice v příčném směru. To je třeba kompenzovat tzv. magnetickou fokusací: na pólových nástavcích se v azimutálním směru střídají magnetické gradienty (modelované hřebeny na povrchu nástavců), které mají na svazek pohybujících se částic fokusační účinek. Izochronní cyklotron se proto též někdy nazývá AVF (Azimutal Varying Field) cyklotron.

S y n ch r o t r o n
Pro urychlování částic na velmi vysoké energie vychází v kruhovém urychlovači velký poloměr jejich orbit, takže cyklotronový způsob se spirálovým pohybem částic v ploché vakuové komoře již není prakticky použitelný. Aby dokonale vakuový prostor nebyl enormně velký, stejně jako elektromagnety, je nutno použít kruhové urychlovače s pevnou kruhovou dráhou. Aby se nabitá částice urychlovala a udržela se na pevné kruhové dráze o poloměru R, je potřeba aby s rostoucí rychlostí v(t) urychlovaných částic se s časem synchronně zvyšovala jak frekvence f(t) urychlovacího napětí, tak intenzita magnetického pole B(t), která již nemůže být konstantní, ale je rovněž funkcí času. Takto synchronně pracující urychlovač s pevnou kruhovou dráhou se nazývá synchrotron (ve starší literatuře se vyskytoval i název "synchrofázotron", "bevatron", "kosmotron").
   Schématické znázornění jeho principu je v pravé části obr.1.5.6. Částice jsou urychlovány ve vakuové trubici o průměru cca 3-8cm (většinou eliptického průřezu), stočené do kruhu o průměru stovek metrů až několika kilometrů(!). Trubice je obklopená velkým množstvím segmentů dipólových elektromagnetů (u velkých přístrojů i více než 1000 segmentů), který budí magnetické pole udržující částice na kruhové orbitě. Synchrotron urychluje již předběžně urychlené částice, které se do urychlovací komory vstřikují z vhodného injektoru, kterým bývá lineární nebo kruhový urychlovač s energií cca 20-100MeV *). Spolu s magnety jsou ve vhodných místech kruhové dráhy umístěny urychlovací elektrody napájené střídavým vysokým napětím, jehož frekvence f je synchronně modulována tak, aby částice mezi elektrody přišla v době, kdy polarita zajistí vždy další a další urychlení částice. Současně s frekencí je zvyšována i intenzita B
(z historických důvodů nazývaná magnetickou indukcí) magnetického pole.
*
) U velkých přístrojů je potřeba i vícestupňové předurychlení - nejdříve lineární urychlovač, pak menší synchrotron, který injektuje částice do hlavního urychlovače (synchrotronu); pro nejvyšší energie i kaskáda několika synchrotronů za sebou - viz níže "Velké urychlovače", LHC.
   Synchrotron pracuje v pulsním režimu, kdy protony vstupující v pravidelných dávkách z injektoru do urychlovací trubice při energiích řádově 100MeV, vykonají během urychlovacího cyklu, trvajícího cca 3-5 sekund, několik milionů oběhů, přičemž se urychlí na řádově 100GeV až několik TeV; magnetické pole v průběhu urychlovacího cyklu vzroste z hodnoty desetin Tesla na několik T. Urychlovací cyklus se periodicky opakuje cca 5-10-krát za minutu.
   Po skončení urychlovacího cyklu dopadají částice buď na vnitřní terčík, nebo jsou vyvedeny elektromagnetickým polem na vnější terčík, popř. jsou vedeny do akumulačního prstence pro realizaci interakcí částic ve vstřícných svazcích. Při nárazu svazku např. protonů na terčík vzniká množství částic nejrůznějších druhů, z nichž můžeme soustavou elektrických a magnetických polí "odseparovat" částice požadovaného druhu, fokusací je zformovat ve svazek a zamířit je na další terčík. Získáváme tak sekundární svazky např. antiprotonů, pionů, mionů, kaonů, hyperonů. K separaci částic se používá proměnných elektrických a magnetických polí, k fokusaci svazků se používá magnetických čoček, většinou v kvadrupólovém uspořádání, kde se kříží dvě magnetická pole, jejichž gradienty postupně fokusují svazek ve vertikálním i horizontálním směru.
   Při velkých hodnotách poloměru R, který pro dosažení vysokých energií řádově stovky GeV musí dosahovat několika kilometrů, je potřeba, aby průřez urychlovací trubice byl co nejmenší - aby bylo možno dosáhnout potřebného vysokého vakua (<10-6mm Hg) a aby náklady na výrobu elektromagnetů, jakož i nároky na jejich elektrický příkon, nebyly enormně vysoké. Částice po vstřiku do urychlovací trubice konají radiální a vertikální kmity kolem své základní kruhové dráhy. Kromě toho mají částice ve svazku tendenci rozbíhat se do všech stran, neboť jsou souhlasně nabité a proto se odpuzují. Nemá-li dojít k dopadu částic na stěny trubice, je třeba udržet urychlované částice na jejich orbitě s vysokou přesností, takže je třeba udržet amplitudu radiálních a vertikálních kmitů co nejnižší, stejně jako rozptyl částic. Jinými slovy, je potřeba provádět silnou fokusaci, při níž se shluk vstřiknutých částic během urychlování koncentruje a formuje do intenzívního úzkého svazku prudce letících částic. Tato silná magnetická fokusace je realizována tak, že elektromagnet synchrotronu je sestaven z velkého počtu vhodně tvarovaných segmentů, které mají střídavě kladný a záporný gradient intenzity magnetického pole. Tyto gradienty magnetického pole působí v radiálním a vertikálním směru střídavě jako spojné a rozptylné magnetické čočky, které v konečném důsledku vedou k dvojité fokusaci svazku v obou směrech. U novějších velkých urychlovačů bývají cívky elektromagnetů často supravodivé.
   Velké synchrotrony jsou velmi nákladná unikátní zařízení, budovaná ve velkých světových centrech výzkumu v oblasti jaderné fyziky a elementárních částic, většinou v široké mezinárodní spolupráci (náklady na vybudování dosahují několika miliard dolarů). Na vlastní urychlovač navazují velmi komplikované a precizní detekční aparatury a systémy *), které analyzují sekundární částice a záření, vzniklé při ultrarelativistických interakcích vysokoenergetických primárních částic s materiálem terčíku či vzájemně ve vstřícných svazcích. Analýzou druhu, náboje a hmotnosti těchto částic, jejich energií, hybností a úhlů emise z místa interakce, lze rekonstruovat řadu parametrů interakcí, k nimž dochází. Z toho lze usuzovat na strukturu elementárních částic, vlastnosti působících polí a interakcí, na existenci nových dosud neznámých kvant a částic - viz výše "Analýza dynamiky interakcí částic". Problematika velkých urychlovačů bude stručně diskutována níže - pasáž "Velké urychlovače".
*) O metodice detekce záření viz kap.2 "Detekce a spektrometrie záření", detekční systémy vysokoenergetických interakcí částic jsou obecně nastíněny v §2.1, pasáž "Uspořádání a konfigurace detektorů záření".

B e t a t r o n
Kruhový indukční urychlovač elektronů se nazývá betatron (vyrábí totiž "umělé záření
b-", což jsou rychlé elektrony, známé jinak z radioaktivity beta). Princip betatronu je schématicky znázorněn na obr.1.5.7 vlevo.


Obr.1.5.7. Vlevo: Schématické znázornění betatronu. Vpravo: Schématické znázornění mikrotronu.

   Urychlovací trubice betatronu má tvar prstence (toroidu) zhotoveného z elektricky nevodivého materiálu (sklo, porcelán) s vysokým vakuem uvnitř. Trubice je umístěna ("navléknuta") mezi pólovými nástavci elektromagnetu, napájeného střídavým proudem. Elektrony jsou ve vhodném okamžiku (vhodné fázi periody střídavého proudu) vstřikovány do urychlovací trubice elektronovou tryskou, tvořenou žhavenou katodou, mřížkou a urychlující a fokusující anodou - je to pobobné "elektronové dělo" jako je u obrazovky. Časově proměnné magnetické pole indukuje v trubici vířivé elektrické pole, jehož elektromotorická síla, směřující podél kruhové dráhy, tyto elektrony urychluje.
   Z elektronického hlediska je betatron vlastně "transformátorem", jehož primární vinutí je napájeno střídavým proudem a jehož "sekundárním vinutím" (o jednom "závitu") je urychlovací trubice, v níž se ve vakuu (místo v drátech vinutí) pohybují elektrony urychlované indukovanou elektromotorickou silou. Na kruhové dráze jsou elektrony udržovány magnetickým polem. K urychlování elektronů dochází jen v první čtvrtině sinusového průběhu střídavého napětí v elektromagnetu. Ve vhodném okamžiku vzestupné části sinusovky jsou injektovány elektrony, které jsou urychlovány, magnetické pole narůstá, elektrony se po spirále stáčejí dovnitř a po určitou dobu obíhají po stacionární dráze, na níž jsou neustále urychlovány. Po dosažení vrcholu čtvrtperiody slábne vířivé elektrické pole, obrací svůj směr a elektrony by posléze byly naopak brzděny. Zároveň však dochází k zeslabení magnetického pole a elektrony se začnou pohybovat po spirále k zevnímu okraji trubice, kde narazí na terčík nebo jsou vyvedeny k zevnímu použití. Některé typy betatronů mají radiální gradient magnetického pole a urychlovací fázi nastaveny tak, že pohyb elektronů na konci urychlovacího cyklu probíhá po spirále směrem dovnitř a trerčík je umístěn při vnitřním okraji urychlovací trubice.

   Elektro-mechanický rozbor trajektorie elektronu při urychlování indukovaným elektrickým polem E po kruhové dráze poloměru R (při němž se kombinuje Faradayův zákon elektromagnetické indukce u = -d
F/dt = 2p.R.c.E s urychlující elektrickou silou podél kruhové dráhy q.E, kolmou Lorentzovou magnetickou silou q.[v ´ B] = q.v.B a odstředivou silou m.v2/R) vede k podmínce rovnovážného urychlování elektronu na dráze poloměru R: 2pR2.B = F, neboli magnetický tok F plochou pR2 dráhy elektronu se musí rovnat dvojnásobku toku, který by dráhou protékal, kdyby na celé ploše bylo homogenní magnetické pole s intenzitou B. Tato "betatronová podmínka" je zajištěna vhodným tvarováním pólových nástavců elektromagnetu.
   Elektromagnet menších betatronů bývá často napájen střídavým proudem z normální elektrické sítě 220V s frekvencí 50Hz, příkon činí jednotky až desítky kW. Poloměr kruhové dráhy bývá desítky centimetrů. Během urychlovacího cyklu, který trvá cca 5milisekund, vykonají elektrony cca 2miliony oběhů, přičemž se indukovanou elektromotorickou silou urychlí na cca desítky MeV. Pak dopadají buď na vnitřní terčík (přičemž budí brzdné záření gama), nebo jsou ve svazku vyvedeny ven - slouží pak k elektronovému ozařovaní, např. pro technické či lékařské účely. Stejné využití má i tvrdé brzdné záření gama.
   Betatrony se používají pro energie elektronů do cca 300MeV. Při velkých energiích je však potřeba (podobně jako u cyklotronu) provádět synchronizaci vzhledem k růstu hmotnosti elektronů s jejich energií. Spojením principu betatronu a synchrotronu vzniká betasynchrotron, který urychluje elektrony na kruhové orbitě uvnitř vakuovaného prstence nejprve na betatronovém principu pomocí elektromagnetů napájených střídavým proudem, načež takto předurychlené elektrony jsou dále urychlovány mezi elektrodami, na něž se zapojí vysokofrekvenční urychlovací napětí se synchronizovanou frekvencí, přičemž odpovídajícím způsobem vzrůstá magnetické pole.
   Menší betatrony se v 60.-80.letech hojně používaly v radioterapii (viz §3.6 "
Radioterapie"), hlavně jako zdroj tvrdého brzdného záření gama o energiích do cca 40MeV. V posledních letech byly však betatrony prakticky vytlačeny lineárními urychlovači elektronů, které mají výhodu menších rozměrů, vyšší intenzity toku elektronů a snadnější možnosti modulace svazku.

Mikrotron
Speciálním, zřídka užívaným, typem kruhového urychlovače elektronů je mikrotron, označovaný též někdy jako "elektronový cyklotron". Jeho činnost je schématicky znázorněna v pravé části obr.1.5.7. V magnetickém poli mezi pólovými nástavci silného elektromagnetu je umístěna plochá válcová komora s vysokým vakuem, podobně jako u cyklotronu, avšak místo duantů je u okraje komory namontován elektrický urychlovací systém - dutinový rezonátor, napájený vysokofrekvenčním napětím z magnetronového či klystronového generátoru (frekvence f činí několik GHz). Elektrony prolétají mnohokrát tímto rezonátorem, kam jsou po kruhové dráze vraceny magnetickým polem, přičemž při každém průletu jsou urychlovány na vyšší a vyšší energii. Vzhledem ke zvýšené kinetické energii je poloměr dráhy elektronu po každém průletu rezonátorem vždy větší a větší. Aby elektron přišel mezi elektrody rezonátoru ve správné fázi periody vysokofrekvenčního napětí a mohl být znovu urychlen, je třeba splnit frekvenční podmínku rezonance 2
p.f = k. e.B/(mo.c), podle níž kruhová frekvence urychlovacího napětí musí být celočíselným k-násobkem uvedeného podílu, kde e je náboj elektronu, B magnetická indukce, mo klidová hmotnost elektronu.
   Elektrony pro urychlování se vstřikují elektronovým dělem, popř. se získávají emisí ze stěn rezonátoru. Mikrotrony se občas používají pro urychlování elektronů na energie několika MeV, jejich předností je dosažení vysokých intenzit toku urychlených elektronů ve svazku. Z jednotlivých drah lze vyextrahovat monoenergetické svazky elektronů, z menších drah nižší energie, z největší dráhy při okraji urychlovací komory pak elektrony o maximální energii.

Elektrické napájení urychlovačů
Svou vysokou kinetickou energii získávají částice v urychlovačích působením elektromagnetických polí, t.j. přeměnou části elektrické energie, kterou musí být urychlovače napájeny. Tak složité přístroje, jakými obecně urychlovače jsou, musejí být opatřeny složitou elektronickou aparaturou, obsahující několik typů a zdrojů elektrického napájení:
n Napájení urychlovacích elektrod
je tím základním elektrickým napájením, dodávajícím vlastní elektrickou energii pro urychlování nabitých částic. U rentgenek a elektrostatických lineárních urychlovačů se jedná o vysoké stejnosměrné napětí - desítky kilovoltů, až několik megavoltů. U vysokofrekvenčních lineárních urychlovačů a kruhových urychlovačů jsou urychlovací elektrody napájeny vysokofrekvenčním střídavým napětím o frekvenci řádově MHz až několika GHz
(elektronické obvody produkující toto vf napětí jsou stručně popsány níže v pasáži "Vysokofrekvenční generátory elektrického napětí").
n Napájení iontového zdroje
Vlastní částice k urychlení jsou v iontovém zdroji získávány rovněž elektricky. Nejjednodušší je to u elektronů, získávaných termoemisí ze žhavené katody, která je napájena žhavicím proudem ze žhavicího transformátoru
(220V se transformuje na 6-24V, žhavicí proud cca 2A-20A). Protony a těžší ionty se získávají v elektrickém výboji, napájeném stejnosměrným napětím řádově stovky až několik tisíc voltů.
n Napájení cívek elektromagnetů
Pro tvarování dráhy urychlených nabitých částic se používají silné elektromagnety, tvořené cívkami napájenými elektrickým proudem mnoha desítek až několika tisíc ampér. U klasických elektromagnetů je to energeticky náročné, vzniká teplo, elektromagnety se musejí chladit. Největší část elektrické energie pro napájení urychlovačů většinou spotřebovávají právě elektromagnety. U novějších velkých urychlovačů se v elektromagnetech používají často supravodivé cívky.
Problematika elektromagnetů v urychlovačích je podrobněji rozebírána níže v pasáži "Elektromagnety v urychlovačích".
n Napájení vakuového a chladicího systému
Pro zajištění vysokého vakua v urychlovacích trubicích se používá výkonných vývěv. K udržení vysokého vakua může přispět i chlazení trubice (spolu se supravodivými elektromagnety) na nízké teploty, při nichž případné zbytky vzduchu vymrzají na stěnách trubice. V řadě elektricky napájených součástí se značná část elektrické energie mění v teplo, které je potřeba odvádět pomocí vzduchotechniky či jiných chladicích systémů. U supravodivých elektromagnetů se sice teplo přímo nevyvíjí, avšak chladicí hélium je třeba recyklovat ve zkapalňovacích přístrojích. Všechno toto technické "zázemí" urychlovače obsahuje řadu elektromotorů, které jsou napájeny buď přímo ze střídavé sítě (220V), nebo jsou řízeny elektronicky.
n Napájení řídící a regulační elektroniky
Činnost urychlovačů je zcela podmíněna přesnou časovou a intenzitní souhrou mezi elektrickými a magnetickými poli v různých částech urychlovacího systému. Toto musejí zajišťovat složité elektronické obvody, řízené v současné době digitální počítačovou technikou.
  
Pozn.: Pro nejjednodušší "urychlovač", kterým je rentgenka, je schéma elektrického napájení nakresleno na obr.3.2.2B v §3.2.2 "X-záření - rentgenová diagnostika", část "Zdroje X-záření - rentgenky".

Vysokofrekvenční generátory elektrického napětí
Urychlovací elektrody většiny typů urychlovačů jsou napájeny střídavým vysokofrekvenčním napětím či vf elektromagnetickým vlněním. Frekvence jednotky až stovky MHz lze připravit v klasických oscilátorech s indukčně-kapacitními LC obvody, osazených elektronkami či nověji polovodičovými tranzistory. Velmi vysoké frekvence (potřebné např. pro lineární vysokofrekvenční urychlovače, mikrotron a pod.) vznikají ve vysofrekvenčních generátorech, které jsou osazeny speciálními elektronkami - magnetrony a klystrony, které mohou pracovat jako vysokofrekvenční oscilátory o velmi vysokých frekvencích (vf) řádově GHz. Pro nejvyšší frekvence slouží gyrotrony.
Magnetron 
je válcová dioda, jejímž středem vede žhavená katoda, kolem níž je koaxiální anoda. Mezi katodu a anodu je přivedeno elektrické napětí. Dioda je kromě toho vložena do longitudinálního magnetického pole (mezi pólové nástavce elektromagnetu, pro jednodušší aplikace stačí i permanentní magnet), jehož směr je rovnoběžný s katodou - obr.1.5.8 vlevo dole. Na elektrony emitované z katody tak působí kombinované zkřížené pole - radiální elektrické pole mezi katodou a anodou a podélné magnetické pole vnějšího magnetu. Elektrony emitované katodou jsou přitahovány k válcové anodě, avšak Lorentzovou magnetickou silou se dráhy elektronů zakřivují tak, že při určité hodnotě anodového napětí a intenzitě magnetického pole již elektrony nedopadají přímo na anodu, ale vytvoří oblak kroužící v prostoru mezi katodou a anodou. Anoda magnetronu není jednoduchý válec, ale je tvořena kovovým blokem obsahujícím několik (většinou 8) obvodových dutinových rezonátorů - obr.1.5.8 vlevo nahoře. Elektrony během svého kruhového pohybu při průletu kolem rezonančních dutin odevzdávají část své energie a vzbuzují elektromagnetické oscilace v dutinách. Nejúčinnější předávání energie elektromagnetickému poli v rezonátorech nastává při takové rychlosti pohybu elektronu, kdy se během jeho přechodu od jedné obvodové štěrbiny k druhé změní polarita pole ve štěrbině na opačnou; pak je elektron u každé štěrbiny brzděn a odevzdává energii poli v rezonátoru. Tato synchronizace (nazývaná
p-mód) se dosahuje vhodnou volbou anodového napětí. Celkově je pohyb elektronů značně složitý. Kmitající elektromagnetické pole hustotně moduluje rotující elektronový oblak - dochází ke shlukování elektronů do ohnutých paprsků tvaru "kola s loukotěmi" (počet loukotí je poloviční než počet obvodových rezonátorů anody), které se otáčejí kolem osy; je to jen symbolicky nakresleno na obr.1.5.8 vlevo nahoře. Lze říci, že celý systém magnetronu je uveden do stavu intenzívních vysokofrekvenčních oscilací (jejichž frekvence je dána mechanickými rozměry rezonátorů), při nichž je elektrická energie protékajícího anodového proudu s vysokou účinností přeměňována na energii kmitajícího pole. Vzniklý vysokofrekvenční signál pak anténami či vlnovody vychází k vnějšímu použití.


Obr.1.5.8. Fyzikálně-elektronický princip činnosti magnetronu, klystronu a gyrotronu.
Vlevo nahoře: Příčný řez magnetronem s naznačeným pohybem elektronů mezi katodou a anodou ve zkříženém elektrickém a magnetickém poli. Vlevo dole: Zapojení a umístění magnetronu do magnetického pole - podélný řez. Vpravo nahoře: Dvouokruhový klystron jako zesilovač vf signálu. Vpravo dole: Reflexní jednookruhový klystron jako oscilátor a generátor vf signálu. Dole uprostřed: Gyrotron s naznačenýnm spirálním pohybem elektronů v silném magnetickém poli a vznikem elektromag. oscilací v dutinovém rezonátoru.

Klystron (řec. klys=příboj, vlny narážející do pobřeží)
je rovněž vakuová trubice, v níž elektrony emitované žhavenou katodou jsou urychlovány a fokusovány do úzkého lineárního svazku dutou anodou připojenou na kladné napětí. Kinetická energie elektronového svazku (shluků elektronů) se převádí na elektromagnetické kmity v rezonančních dutinách. Klystrony se rozdělují na dva základní typy:
¨ Dvouokruhový klystron,
kde elektrony z katody na své cestě k anodě procházejí nejprve jedním rezonátorem, který je rychlostně moduluje, načež vzniklé shluky elektronů procházejí druhým dutinovým rezonátorem, v němž v případě dosažení rezonance vzbuzují oscilace - obr.1.5.8 vpravo nahoře. V oblasti mezi oběma rezonátory je někdy kolem trubice umístěn magnet pro udržení a fokusaci elektronového paprsku ve středu trubice. Elektrony, které již předaly svou kinetickou energii, jsou zachycovány v kolektoru
(zbytek jejich energie se tam přemění v teplo; u velkých přístrojů jsou příp. tyto elektrony pro zvýšení účinnosti navraceny zpět do prostoru před rezonátory). Napájíme-li první (vstupní) rezonátor vnějším vf signálem, pak oscilace vzbuzené v druhém (výstupním) rezonátoru mají větší amplitudu než kmity přiváděné do vstupního rezonátoru - na obr.1.5.8 vpravo je to sybmolicky naznačeno zesilující se vlnovkou. Tento druh klystronu slouží jako zesilovač vf signálu. Zavedením zpětné vazby (elektrickým propojením dutin obou rezonátorů dvouokruhového klystronu) je možno sestrojit generátor samobuzených kmitů o vysokém výkonu, podobně jako u níže uvedeného klystronu reflexního. Pro speciální účely vf techniky se konstruují i klystrony s větším počtem rezonančních dutin - dosahuje se tím většího zesílení a možnosti ladění v širším frekvenčním rozsahu.
¨ Reflexní klystron,
v němž po urychlení a fokusaci elektronů anodou do lineárního paprsku jsou tyto elektrony na opačném konci trubice odráženy zápornou reflexní elektrodou (repeller - odpuzovač) a navraceny zpět do pracovního prostoru elektronky. Rychlost elektronů uvnitř klystronu je modulována jejich interakcí s dutinovým rezonátorem, v němž prolétající elektrony vzbuzují elektromagnetické oscilace. Každý elektron projde rezonátorem dvakrát. V přímém směru je tok elektronů rychlostně modulován, shluky elektronů pokračují směrem k reflexní elektrodě, kde se zastaví, obrátí se a v opačně orientovaném poli se urychleně pohybují zpět k rezonátoru, do něhož tyto shluky elektronů vstupují a rezonátor budí. Při správném nastavení napětí na reflexní elektrodě vzhledem ke geometrickým rozměrům vstupují shluky elektronů do rezonátoru vždy v okamžiku, kdy vf pole má maximální hodnotu opačné polarity a odevzdávají mu energii - je dosaženo rezonance a oscilace se trvale udržují (obr.1.5.8 vpravo dole). Z dutinového rezonátoru je elektromagnetický vf signál odváděn anténou či vlnovodem.

   Magnetron dosahuje poměrně vysoké účinnosti cca 60-70% převodu napájecí elektrické energie na vysokofrekvenční signál. Klystron, jehož účinnost je poněkud nižší (cca 30-40%), zato generuje vf kmity se stabilnější frekvencí, s možností jejího přesného ladění a modulace. Magnetrony a klystrony mají široké použití ve vysokofrekvenční technice - v UHF televizním vysílání, satelitním spojení, radarové technice, mikrovlnném ohřevu (např. v mikrovlnných troubách jsou mikrovlny buzeny magnetrony); pro nás je důležité jejich použití v urychlovačích částic. Pracují často v pulzním režimu, přičemž dosahují úctyhodných výkonů až stovky megawatů! V oblasti nižších výkonů jsou magnetrony a klystrony v poslední době nahrazovány polovodičovými součástkami.
Gyrotron
Pro oblasti nejvyšších frekvencí byly zkonstruovány tzv. gyrotrony
(řec. gyros = otáčení, kroužení, soustružení; též otáčivý gril), obr.1.5.8 uprostřed dole. Jsou to vakuové elektronky, v nichž elektrony emitované z katody jsou urychlené v "elektronovém děle" napětím desítky až stovky kV a soustředěny do lineárního paprsku. V pracovním prostoru gyrotronu se nachází dutinový rezonátor a je zde aplikováno velmi silné magnetické pole (cca 3-8T), buzené většinou supravodivým elektromagnetem. Při pohybu v tomto silném magnetickém poli elektrony krouží po spirále s Larmorovou frekvencí f = e.B/(2pme) závisející na intenzitě B magnetického pole. Při průchodu této elektronové spirály dutinovým rezonátorem - pokud dojde k cyklotronové rezonanci - se v něm vzbuzují intenzívní elektromagnetické kmity vysokých frekvencí »20-250GHz (k rezonanci může docházet na základní frekvenci dané rozměry rezonátoru, nebo na vyšších harmonických). Po průchodu rezonátorem jsou elektrony, které již předaly většinu své energie, absorbovány v kolektoru. Elektromagnetické vlny jsou vlnovodem odváděny k vnějšímu použití. Kromě mikrovlnné vf elektroniky se gyrotrony zatím ojediněle používají pro vf ohřev plasmy v nejnáročnějších aplikacích, např. v oblasti termonukleární fúze v tokamacích (§1.3, část "Slučování atomových jader"; v budovaném tokamaku ITER je plánováno více jak 20 výkonných gyrotronů pro ohřev deuterium-tritové plasmy v pracovní toroidní trubici).
   
Pozn.: Vznik elektromagnetických kmitů v dutinových rezonátorech magnetronu a klystronu se z elektronického hlediska někdy zjednodušeně vysvětluje takto: Jednotlivé komory či dutinové rezonátory si můžeme představit jako malé oscilační obvody - paralelně zapojené LC. Štěrbina mezi okraji komůrek se chová jako malý "kondenzátor" C (kapacity jednotek pF), vodivý vnitřní plášť rezonátoru představuje "cívku" L. Elektrony při průchodu kolem komory nabíjejí štěrbinu ("kondenzátor"), čímž začne okamžitě procházet proud kolem komory ("cívkou"). Vzniklé magnetické pole indukuje opačný proud, nabíjející "kondenzátor" na opačnou polaritu ...atd... - v komoře vzniká střídavý proud vysoké frekvence f=1/L.C podobně jako v oscilačním obvodu LC.
Toto přirovnání je sice názorné, avšak pro přesnou analýzu se příliš nehodí, tam je nutno použít metody vlnového chování elektromagnetického pole.

Elektromagnety v urychlovačích a dalších nukleárních přístrojích
Důležitou součástí většiny urychlovačů jsou elektromagnety, které obecně slouží pro tvarování dráhy urychlených nabitých částic působením Lorentzovy síly kolmé k rychlosti pohybu. Pro základní zakřivování dráhy jsou to dipólové elektromagnety, pro fokusaci jednotlivých částic do vymezeného svazku kvadrupólové elektromagnety, někdy se používají i složitější tvary pólových nástavců. V klasickém provedení jsou elektromagnety tvořeny cívkami, navinutými s potřebným počtem závitů izolovaným drátem z dobrého vodiče, většinou mědi, na vhodném feromagnetickém jádře (tvořícím "pólové nástavce"). Síla buzeného magnetického pole (magnetická indukce) je úměrná elektrickému proudu přes cívku. Přivádí se buď stejnosměrný proud - permanentní elektromagnet, nebo proměnný či střídavý proud - budí se časově proměnné či střídavé magnetické pole. "Pomocné" cívky pro fokusaci svazku, jeho korekce, vyvádění či separaci, mají u všech urychlovačů toto klasické provedení. U menších a starších přístrojů se klasické elektromagnety používají i pro základní zakřivování svazku částic v kruhových urychlovačích - cyklotronech a synchrotronech.
   U velkých vysokoenergetických cyklotronů a synchrotronů je pro udržování částic na kruhových drahách potřeba značně silné magnetické pole, pro jehož buzení musí cívkami protékat elektrický proud mnoha desítek až několika tisíc ampér. Při použití klasických elektromagnetů je to energeticky náročné, vzniká teplo, elektromagnety se musejí chladit. U novějších velkých urychlovačů se proto v silných elektromagnetech používají často supravodivé cívky :
Supravodivé elektromagnety 
Fyzikální principy supravodivosti byly stručně rozebírány výše v pasáži "
Fermiony v úloze bosonů. Supravodivost.". Připomeňme si zde jen základní skutečnost, že při ochlazení některých vodičů na dostatečně nízkou teplotu - nižší než je tzv. kritická teplota Tc - jejich měrný elektrický odpor klesne na nulu (prakticky na nulu klesne ohmický odpor pro stejnosměrný proud; induktivní složka odporu, impedance, pro střídavý proud zůstane nezměněna). Za této situace i silný elektrický proud protéká supravodičem absolutně bez tepelných ztrát. Nejpoužívaným supravodivým materiálem pro elektromagnety je slitina niob(53%)-titan(47%) pracující do 9 Tesla, příp. Nb3Sn, použitelný i nad 9 T. Byly vyvinuty i tzv. vysokoteplotní supravodiče, které mají kritickou teplotu vyšší než -196°C a místo kapalného hélia mohou pracovat i při použití kapalného dusíku. Pro silné elektromagnety se ale zatím nehodí, nedaří se z nich vytvořit dlouhé tenké dráty.
Materiálová poznámka :  
Je zajímavé, že jako vhodný izolační materiál pro supravodivé vinutí může sloužit měď, která je za normální teploty jedním z nejlepších elektrických vodičů! V oblastech jednotek stupňů Kelvina však měď nepřechází do supravodivého stavu, má měrný odpor mnoho-miliardkrát větší než supravodivý Nb-Ti, takže se vzhledem k supravodiči chová jako izolant. Supravodivé dráty bývají tvořeny větším počtem (min. několik desítek, někdy ale i několik tisíc) tenkých vláken NbTi uložených v měděné matrix (příp. vhodné slitiny mědi, niklu).

   Navineme-li tedy cívku ze supravodivého materiálu, při průchodu elektrického proudu jejími závity je buzeno magnetické pole bez tepelných ztrát ve vinutí - vzniká supravodivý elektromagnet. Může pracovat ve dvou režimech:
l Kontinuální režim napájení z vnějšího zdroje proudu - konstantního či časově proměnného, analogicky jako u běžných cívek. Výhodou však je možnost dosažení velmi silného magnetického pole při nízké elektrické spotřebě. Silný proud vzniká i při velmi nízkém napětí zdroje, bez tepelných ztrát. Kontinuální režim se používá především tam, kde je potřeba operativně měnit intenzitu magnetického pole - např. v synchrotronu či tokamaku.
l Perzistentní režim - v uzavřeném supravodivém vinutí se elektrický proud jednou vybudí a pak se samovolně trvale udržuje, vzhledem k absenci ztrát ve vinutí v podobě produkce tepla. Bezstrátově cirkulující proud ve vinutí se nemůže zmenšovat ani narůstat, není-li z vnějšku dodávána nebo odebírána elektromagnetická energie. Udržuje se tím samozřejmě i silné magnetické pole - jedná se o perzistentní supravodivý elektromagnet s nakrátko uzavřeným vinutím ve velmi stabilním proudovém a energetickém stavu. Pro supravodivost je však vinutí nutno trvale udržovat na nízké podkritické teplotě cca 3°K v kryostatu pomocí kapalného hélia *). Elektrická energie je tak potřeba pouze k pohonu chladicího systému. Pro vytvoření magnetického pole cca 3 Tesla je typicky potřeba supravodivá cívka s cca 20 000 závity (o indukčnosti několika desítek Henry) s proudem cca 500 Ampér. Perzistentní režim se používá tam, kde potřebujeme dlouhodobě stabilní magnetické pole, např. v zobrazovací nukleární magnetické rezonanci MRI.
*) Toto trvalé chlazení supravodivé cívky je potřeba pečlivě hlídat! Pokud by vlivem odpařování hladina chladicího média poklesla natolik, že část vinutí by se oteplila nad kritickou teplotu, supravodivost by náhle zanikla - tzv. quench ("zhasnutí" - viz níže). V tomto místě vinutí by vznikl ohmický odpor, proud vinutím by rychle klesal a magnetické pole zanikalo. To by mělo za následek elektromagnetickou indukci velké elektromotorické síly ve vinutí. Značná energie uložená v magnetickém poli by se rychle přeměnila na indukovaný proud vinutím, které by se ohmickým odporem silně zahřálo, zbytek chladicího média by se uvedl do bouřlivého varu a vinutí by se mohlo spálit!

Obr.1.5.9. Vlevo: Supravodivý elektromagnet je tvořen cívkou, navinutou ze supravodivého materiálu, umístěnou v kryostatu s kapalným héliem. Při vybuzení a utlumení supravodivého proudu v silných perzistentních elektromagnetech lze s výhodou použit zkratování teplotně ovládaným supravodivým klíčem (bifilární vinutí + vyhřívací drátek).
Vpravo: Závislost ohmického odporu supravodivého materiálu Nb-Ti na teplotě (pro 1m drátu o0,3mm).

"Zapnutí" (vybuzení či nabití) a "vypnutí" (utlumení či vybití)
silného elektrického proudu v supravodivém vinutí velkého perzistentního elektromagnetu je delikátní záležitost! V silném magnetickém poli je uložena značná energie, takže v důsledku elektromagnetické indukce ve vinutí supravodivý proud jeví značnou časovou setrvačnost. Zapnutí a vypnutí supravodivého proudu zde proto nelze uskutečnit naráz nějakým jednoduchým vypínačem, jak jsme zvyklí v běžných elektrických obvodech
(vedlo by to k indukci vysokonapěťových špiček a proudů působících proti náhlé změně, které by mohly vést k porušení supravodivosti), ale musí být prováděno postupně - plynule. Supravodivá vinutí "nesnášejí" prudké změny proudu, které navíc též mohou indukovat silné vířivé proudy v měděné matrix kolem supravodivých drátů, nebo napěťové špičky v dalších součástkách. Vybuzení proudu v uzavřeném vinutí supravodivé cívky vyžaduje specifický postup.
   Vybuzení proudu se standardně provádí připojením vnějšího zdroje o nízkém napětí cca 10V
(postačujícím k "protlačení" nárustu proudu několika ampér/min. proti induktivnímu odporu cívky), který je schopen dodávat požadovaný nominální proud (např. 500A). Indukčnost supravodivého vinutí klade nárustu proudu odpor, nabíjení trvá cca 50min. při řízeném nárustu proudu cca 10A/min. Po dosažení požadovaného proudu (magnetické indukce) je nutno vývody cívky uvnitř kryostatu supravodivě "zkratovat"; vnější zdroj proudu je pak možné odpojit (specifickým způsobem popsaným níže) a proud cívkou pak již teče samovolně "navěky" *).
*) Je to jen přibližně, věčný tok konstantního supravodivého proudu je idealizací! Ve skutečnosti i supravodivý proud, a tím i magnetické pole B, bude s časem velmi pozvolna klesat podle obvyklého exponenciálního vztahu B(t) = B(0).e-(R/L).t, s časovou konstantou R/L, kde R je zbytkový odpor způsobený elektrickými spoji a vlivy magnetického pole na tok elektronů v supravodiči. V některých přístrojích, jako je nukleární magnetická rezonance, se na tento pozvolný pokles zavádí příslušná korekce (např. drobná změna rezonanční frekvence).
   Odpojení vnějšího zdroje po supravodivém zkratování cívky je rovněž nutno provádět plynule. Bezprostředně po zkratování bude totiž supravodivým zkratem procházet poměrně malý proud, který bude navíc opačného směru, než je potřeba vytvořit v uzavřeném obvodu supravodivé cívky. Náhlé odpojení vnějšího zdroje v této fázi by vedlo ke skokovému nárustu proudu ve zkratovém vedení, který by mohl porušit jeho supravodivé vlastnosti. Proud, který dosud tekl do supravodivé cívky z připojeného vnějšího zdroje, je potřeba řízeně a plynule "přesměrovat" tak, aby začal protékat supravodivým zkratem. Po dobu několika minut je proto nutno snižovat proud tekoucí vnějším zdrojem (který se přepne do režimu řízeného zdroje proudu s nízkým vnitřním odporem - již není potřeba napětí působící proti induktivnímu odporu cívky) z nominální hodnoty na nulu. Indukčnost hlavního vinutí zachovává proud, takže supravodivým zkratem postupně narůstá proud (který měl těsně po zkratování menší hodnotu a původně opačný směr!) až na nominální hodnotu; teprve pak vnější zdroj odpojíme.
   Pro vypnutí či vybití supravodivého proudu se postupuje opačně: k vnějším vývodům se připojí externí zdroj nastavený na nominální proud (např.500A), přeruší se supravodivé zkratování cívky a proud ve zdroji se elektronickou regulací pozvolna snižuje (cca -50A/min.); po cca 10min. je supravodivý elektromagnet "vybitý", za intenzívního chlazení zdroje.
   Supravodivé zkratování či rozpojení - "klíčování" - přívodů cívky se dříve provádělo elektro-mechanicky. Nyní se časo používá teplotně ovládaný supravodivý klíč: k vývodům hlavní cívky uvnitř kryostatu je paralelně připojen delší supravodič
(bifilárně svinutý aby nevznikalo nežádoucí magnetické pole) s kouskem odporového topného drátku. Pokud je - při nabíjení či vybíjení - topení zapnuto, je zkratující supravodič převeden do normálního (odporového) stavu - zkrat je vyřazen (rozpojen). Po vypnutí topení se bifilární vinutí zchladí, čímž se obnoví supravodivý zkrat a uzavřeným obvodem může trvale procházet supravodivý proud, bez vnějšího zdroje (obr.1.5.9 vlevo).
  
Poděkování: Rád bych poděkoval kolegovi Ing. Jiřímu Vítovcovi z Kliniky zobrazovacích metod FN Plzeň za důležité údaje o elektronickém režimu 3T perzistentního supravodivého elektromagnetu v hybridním zobrazovacím přístroji PET/MRI. Odkaz: ......
Quench supravodivého magnetu 
Neplánovaný a neřízený náhlý zánik supravodivosti, zvaný quench ("zhasnutí"), je nepříjemnou událostí pro supravodivý magnet pracující ve vysokointenzívním režimu. Může nastat v zásadě v důsledku 5 příčin:
× Porucha chlazení - hladina chladicího média poklesne natolik, že část vinutí se oteplí nad kritickou teplotu Tc a přejde do normálního rezistivního režimu (bylo již zmíněno výše)....
× Porucha supravodivého propojení elektrického obvodu - vadou materiálu nebo nedokonale provedeným spojem. V tomto místě dojde k silnému elektrickému výboji (oblouku) s prudkým zahřátím a roztavením komponentů. K nejtěžší havárii tohoto typu došlo v r.2008 na velkém urychlovači LHC v CERN.....
× Příliš silný elektrický proud - dojde k překročení kritické hustoty proudu Ic (cca 1000-4000 A/mm2), nad kterou již použitý materiál ztrácí supravodivé vlastnosti.
× Příliš silné magnetické pole - dojde k překročení kritické hodnoty magnetické indukce Bc, nad kterou již použitý materiál ztrácí supravodivé vlastnosti a přejde do běžného rezistivního režimu.
× Příliš velká rychlost změny magnetického pole - indukované vířivé proudy v nosné měděné matrix mohou svými tepelnými účinky v některém místě zahřát část vinutí nad kritickou teplotu.
   Pokud by z některé z těchto příčin došlo ke ztrátě supravodivosti, byť jen v malém okrsku elektromagnetu, v tomto místě vinutí by vznikl ohmický odpor, proud vinutím by rychle klesal a magnetické pole zanikalo. To by mělo za následek elektromagnetickou indukci velké elektromotorické síly ve vinutí. Značná energie uložená v magnetickém poli by se rychle přeměnila na indukovaný proud vinutím, které by se Jouleovým teplem silně zahřálo. Ztráta supravodivosti během několika sekund a silné ohřátí elektromagnetu má nevratný charakter řetězové reakce, při níž se většina chladicího média vypaří bouřlivým varem. Je to velmi nebezpečné pro pracovníky v blízkosti elektromagnetu, který se může i trvale poškodit..!..
   Silné elektromagnety, často supravodivé, se vedle urychlovačů používají i v jiných přístrojích atomové a jaderné fyziky, v průmyslu, medicíně. Nejmohutější elektromagnety se používají v tokamacích na magnetické udržení vysokoteplotní plasmy pro termonukleární fúzi (§1.3, část "Tokamak"). Středně velké supravodivé elektromagnety (cca 1-5 T) se rutinně používají v nukleární magnetické rezonanci pro dosažení základní orientace magnetických momentů jader (§3.4, část "Nukleární magnetická rezonance").

Velké urychlovače
   Pro výzkum v oblasti fyziky (elementárních) částic jsou budovány velké unikátní urychlovače se snahou dosáhnout co nejvyšších energií urychlených částic. Jejich úkolem je detailní zkoumání vlastností interakcí částic - upřesňování mechanismů interakcí již známých částic a hledání částic nových. Velké urychlovače (především synchrotrony) byly vybudovány např. ve FermiLabu u Chicaga, v Brookhavenu u New Yorku, v CERNu, v Dubně či Serpuchovu. Na každém z těchto urychlovačů byly získány nové objevné výsledky, nebo se takové výsledky očekávají. V poslední době se používají většinou interakce urychlených částic ve vstřícných svazcích (collidery). Uvedeme zde v tabulce jen heslovitě několik největších urychlovačů z posledních let:

Název urychlovače Laboratoř Částice Energie [GeV] Rok
SLAC (Stanford Linear Accelerator Center ) Stanford e- - e+ 50 1966
Tevatron Fermilab p+ - p- 980 1987
LEP (Large Electron-Positron collider) CERN e- - e+ 100 1989
RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider ) Brookhaven p-p, Au-Au, ... 200 2000
LHC (Large Hadron Collider) CERN p-p, Pb-Pb, ... 7000 2008
VLHC (Very Large Hadron Collider) - budoucnost ?? p-p, ..... ? >>LHC ? ? >2030 ?
CLIC (Compact LInear Collider) - budoucnost ?? e- - e+ 3000 ??

Large Hadron Collider (LHC)
   Zatím největší urychlovač byl v současné době vybudován v ústřední evropské jaderné laboratoři CERN (Centre Europeen pour Recherche Nucleaire)
*) na Švýcarsko-Francouzském pomezí pod názvem LHC - Large Hadron Collider (velký hadronový "srážeč") v r.2008.
*)
Název "nukleární výzkum", vytyčený při založení ústavu v r.1954, nyní již není zcela výstižný. Původní oblast jaderného výzkumu se již dávno transformovala. Hlavním zaměřením CERN je již několik desetiletí výzkum v hluboce subnukleární oblasti a hlavně v částicové fyzice, často bez přímé souvislosti s atomovámi jádry. I název "evropský" byl již rozšířen, na mnoha projektech spolupracují i odborníci z mimoevropských zemí.
  LHC je synchrotron (princip činnosti byl popsán výše, obr.6.6.5 vpravo), jehož prstenec se nachází v tunelu po předchozím elektronovém urychlovači LEP asi 100m pod zemí (50-150m pod terénem), jeho obvod je dlouhý 26,66 km. Systém magnetů podél dráhy urychlovače je velmi složitý. Kruhovou dráhu urychlovaných částic s vysokou přesností zajišťuje více než 1200 supravodivých dipólových elektromagnetů po obvodu trubice. Dále je tam umístěno téměř 900 magnetů kvadrupólových i složitějších tvarů, pro fokusaci svazku urychlovaných částic, korekce a modifikace tvaru dráhy. Vodiče supravodivých elektromagnetů jsou zhotoveny z niobo-titanové slitiny a pracují při teplotě 1,9°K. K vlastnímu urychlování protonů nebo těžších iontů dochází v jednoum segmentu prstence, kde je unístěn systém radiofrekvenčních rezonančních dutin, napájených intenzivním vysokofrekvenčním napětím o frekvenci 400MHz. Magnetické pole zakřivuje dráhy nabitých částic přesně podél centrálního obvodu tunelu a vrací je periodicky do urychlovacích dutin. Při jednom oběhu se kinetická energie protonu zvýší o 480keV.
   LHC, jakožto synchrotron, potřebuje ke své činnosti částice již předurychlené (viz obr.1.6.5 vpravo). V případě tak vysokých energií jsou protony dokonce 4-stupňově předurychlené, k čemuž se využívají již dříve zkonstruované urychlovače v CERN, zařazené v sérii podle velikosti dosahovaných energií. Protony, získávané ionizací vodíku, jsou nejdříve urychlené v lineárním urychlovači (LINAC) na energii 50MeV, odtud jsou vedeny do kruhového urychlovače PS "booster", kde získají energii 1,4GeV. Pak jsou směrovány do prstence protonového synchrotronu PSR (Proton Synchrotron Ring) s výstupní energií 25GeV a nakonec do dalšího synchrotronu SPS (Super Proton Synchrotron), který jim udělí výstupní energii 450GeV. S touto výchozí energií jsou injektovány k finálnímu urychlení do prstence hlavního urychlovače LHC, kde budou během mnoha oběhů urychleny na výstupní energii 7TeV, přičemž magnetické pole v segmentech elektromagnetů se během každého cyklu mění z počáteční hodnoty 0,5T (při 450GeV) až na 8,3T (při 7TeV), proud v dipólových elektromagnetech dosahuje více než 10000A. Nárust kinetické energie v LHC z počátečních 450GeV na 7TeV trvá zhruba 30 minut. Jelikož synchrotron pracuje v pulsním režimu, urychlují se protony ve skupinách či shlucích (angl. bunches). Protony se urychlují ve dvou trubicích (prstencích) v opačných směrech pro interakce ve vstřícných svazcích. Při rychlosti blížící se rychlosti světla (99,999995%c) udělá proton v LHC více než 11000 oběhů/sekundu. Ve vstřícných svazcích se produkuje 1 srážka na 10 miliard částic, při plném výkonu bude docházet k více než 30 milionům srážek za sekundu. Celková energie protonového svazku bude dosahovat až 350 MJ. Kromě protonů může LHC urychlovat i těžší jádra, především jádra olova (pro experiment ALICE, zmíněný níže).
   Po obvodu urychlovače LHC budou čtyři místa, kde se budou trubice propojovat a protisměrné svazky částic křížit - budou zde probíhat interakce ve vstřícných svazcích. Tato místa budou obklopena velkými a složitými detekčními systémy (srov. §2.1, pasáž "
Uspořádání a konfigurace detektorů záření"), pomocí nichž je připraveno šest experimentů:
¨ ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)
je největším detekčním systémem (váží asi 7000tun), hlavním nosným programem LHC. Bude komplexně měřit a analyzovat částice vznikající při srážkách protonů o energii 14TeV. Detekční systém ATLAS (a též níže uvedený CMS, částečně i ALICE) má válcové koaxiální uspořádání podobné, jako je na modelovém obrázku 2.1.2 v §2.1, pasáž "
Uspořádání a konfigurace detektorů záření"), avšak mnohem složitější; je to nejsložitější a nenákladnější detekční zařízení v dosavadní historii!.
   Vnitřní část detektoru, která zaznamenává dráhy nabitých částic vylétajících z místa srážky, se skládá ze tří souosých vrstev ("slupek") dráhových detektorů (trackerů): nejníže jsou pixelové polovodičové detektory, pak stripové detektory a detektory přechodového záření. Celý systém je umístěn v silném podélném magnetickém poli 2Tesla supravodivého solenoidního elektromagnetu; ze zakřivení drah částic v magnetickém poli lze určit náboj a hybnost částic.
   Další vrstvu detekčního systému tvoří spektrometr, nazývaný "kalorimetr", jehož úkolem je absorbovat energii vylétajících částic a kvantifikovat ji (její "vzorek") pomocí výstupních elektrických impulsů. Skládá se ze dvou částí: elektromagnetický kalorimetr pro měření energie fotonů a elektronů a hadronový kalorimetr ...........
   Poslední, vnější vrstva detektoru ATLAS je tvořena mionovým spektrometrem, určeným pro detekci vysokoenergetických mionů, které jsou schopny projít vrstvou kalorimetru. Analýzou drah mionů, zakřivených silným toroidálním magnetickým polem, lze určit jejich hybnosti a znaménka elektrických nábojů. K detekci drah mionů se používají driftové trubicové a mnohodrátové ionizační komory.
¨ Detektor CMS (Compact Muon Solenoid),
optimalizovaný pro detailní analýzu mionů, bude spolupracovat se systémem ATLAS pro komplexní analýzu vysokoenergetických interakcí. Jeho struktura je podobná jako u ATLASu. Pro analýzu trajektorií rychlých mionů je součástí detekčního systému velký elektromagnet válcového tvaru (solenoid), vytvářejícím magnetické pole o síle 4Tesla.
  Na detekčních sytémech ATLAS a CMS se očekává objev nových částic, především Higgsova bosonu (podrobněji je diskutováno výše v části "Hypotetické a modelové částice"). Pokud by jeho rozpad šel elektromagnetickým způsobem přímo na vysokoenergetické dvojice g, nebo (přes W-bosony) na elektrony a pozitrony, byly by tyto sekundární částice zachyceny v elektromagnetickém kalorimetru ATLASu nebo CMS. Při rozpadu na miony (přes Z-bosony) by přišla ke slovu hlavně mionová detekční část CMS. A všechny nabité částice mohou zanechávat své stopy ve vmitřních dráhových detektorech (trackerech) obou systémů.
¨ ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
je dalším experimentálním systémem, jehož úkolem bude studium srážek jader ("těžkých iontů"), především olova, při těžišťových energiích až 5GeV/nukleon a zkoumání vlastností vznikající kvark-gluonové plasmy
(viz výše "Kvark-gluonová plasma"). Podobně jako ATLAS a CMS, má i ALICE válcové koaxiální uspořádání velkého počtu detektorů, určených k registraci a rekonstrukci parametrů především nabitých částic vznikajících při srážkách jader. Bude sloužit ke studiu extrémních stavů hmoty (jaderné, hadronové) při podobných podmínkách, jaké byly ve vesmíru na počátku hadronové éry, v prvních mikrosekundách existence vesmíru (viz §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", část "Etapy vývoje vesmíru - Hadronová éra").
¨ TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)
bude sloužit k přesnému měření efektivních rozměrů protonů - účinných průřezů - pro různé druhy interakcí. Bude též používán ke kalibračním měřením vlastností LHC (jako je "luminosita" - účinnost produkce srážek v urychlovači). Bude tvořen 8 detektory, umístěnými velmi blízko srážejících se svazků u detektoru CMS.
¨ LHCb (Large Hadron Collider beauty)
bude mít za úkol studovat narušení CP symetrie při rozpadech B-mesonů obsahujících těžký (druhý nejtěžší) b-kvark. Při vysokoenergetických srážkách protonů v LHC vzniká m.j. i velký počet párů b-b' kvarků-antikvarků a jejich hadronizací pak B-mesony i baryony. Způsob rozpadu těchto částic je citlivý na narušení CP symetrií - jestli se hmota chová nepatrně odlišně než anihmota. Částice jsou nejprve lokalizovány detektorem VELO (VErtex Locator), umístěným blízko místa srážky. Identifikace částic před a po průchodu dipólovým magnetickým polem je prováděna pomocí dvou prstencových zobrazovacích Čerenkovových detektorů RICH (Ring Imaging Cherenkov detectors)
- viz §1.6, pasáž "Čerenkovovo záření" a §2.4, pasáž "Čerenkovovy detektory". Komora RICH1 se nachází hned za detektorem VELO, za magnetem je detektor stop částic, následuje komora RICH2 pro identifikaci částic s velkou hybností. Dále jsou zařazeny elektromagnetické a hadronové kalorimetry pro měření energií částic. Nakonec jsou umístěny mionové komory . Tyto výsledky by mohly být zajímavé z hlediska vzniku nerovnováhy hmoty a antihmoty (baryonové asymetrie) v počátečních fázích vývoje vesmíru - proč vznikl přebytek hmoty nad antihmotou.
¨ LHCf (Large Hadron Collider forward)
bude studovat vysokoenergetické částice generované "dopředu" ve směru protonového svazku. Spektrometr (kalorimetr) LHCf se zaměřuje především na neutrální energetické částice (fotony
g, neutrální piony, neutrony) emitované pod malými úhly; nabité částice mohou být registrovány trackery v ATLAS a CMS, částice emitované pod velkými úhly pak navíc kalorimetry a mionovými spektrometry obou systémů. Těmito komplexními měřeními bude simulováno kosmické záření a studovány kaskády částic, vznikající při jeho interakcích (srov. obr.1.6.7 v pasáži "Kosmické záření", §1.6).
  Fyzikové si od tohoto velkého urychlovače mimo jiné slibují, že energie srážek v LHC by mohla být dostatečná k experimentálnímu nalezení tzv Higgsových bosonů, zatím hypotetických modelových částic, generujících hmotnosti některých elementárních částic - kvant polí, především bosonů W a Z elektroslabé interakce (byly zmíněny výše v pasáži "Hypotetické a modelové částice"; viz též §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", část "Globální a lokální symetrie; Kalibrační pole"). Rovněž nejlehčí supersymetrické částice (LSP - Lightest Supersymmetric Particle) by při těchto interakcích snad mohly být prokázány. Diskutuje se i možnosti získání nepřímých důkazů pro extra-dimenze předpokládané některými unitárními teoriemi pole (viz o pár řádků výše uvedený odkaz §B.6).
  Impozantní systém urychlovače LHC a detekčních aparatur je nejsložitějším a nejdůmyslnějším dílem, jaké lidstvo vytvořilo ve své dosavadní historii! Porobnosti o konstrukci, průběhu výstavby a výsledcích experimentů na LHC jsou uvedeny na oficiálních www-stránkách CERN: http://lhc.web.cern.ch/lhc/.
Nebezpečí z velkých urychlovačů? 
V souvislosti s konstrukcí a provozem velkých urychlovačů se občas v masmédiích objevují spekulace a poplašné zprávy, že energie srážejících se částic je tak velká, že při interakci může vzniknout "černá díra" či dokonce nový "velký třesk", což by nás údajně mohlo ohrozit, nebo dokonce pohltit a zničit Zemi i celý vesmír!! Tyto spekulace pramení z nepochopení problematiky, jsou z fyzikálního hlediska zcela nepodložené a chybné, přinejmenším ze dvou důvodů:.
  1. I kdyby při vysokoenergetické interakci vznikla černá díra (což by ostatně bylo velmi zajímavé), vzhledem k malé celkové energii by to byla mikroskopická černá díra, která by se okamžitě kvantově vypařila a zanikla - za vyslání energetických částic (o menší celkové energii než měly původní částice). Taková černá mikrodíra tedy nic nepohlcuje (není toho schopna, srov. §4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr" výše zmíněné knihy "Gravitace....."), může být jen virtuální; bylo by velmi těžké ji vůbec prokázat.
  2. Částice o mnohem vyšších energiích (dokonce o 9 řádů vyšších!) se běžně vyskytují v kosmickém záření (viz §1.6 "Ionizující záření", část "Kosmické záření"), interagují a srážejí se s ostatními částicemi ve vesmíru i v zemské atmosféře již po miliardy let, aniž se něco "katastrofického" stane.

Koncepční perspektivy velkých urychlovačů
Kruhové či lineární urychlovače ? 
Jakkoli je princip kruhového urychlování nabitých částic velmi úspěšný a efektivní, zdá se, že kruhové urychlovače se v pozemských podmínkách již přiblížily k hranicím svých možností. Pokud bychom chtěli nabité částice urychlovat na ještě podstatně vyšší energie při reálně dostupných průměrech kruhové dráhy (t.j. průměrech urychlovacích trubic), čím dál více by se uplatňoval jev vzniku synchrotronového záření*), které by odnášelo značnou část kinetické energie částic a nakonec by znemožnilo další urychlení. Zdá se tedy, že budoucí urychlovače pro nejvyšší energie v pozemských podmínkách budou muset být lineární. Délka lineárních urychlovačů pro dosažení vysokých energií činí mnoho kilometrů. To je v pozemských podmínkách rovněž limitující faktor.
*) Synchrotronové záření vzniká jako brzdné záření v důsledku nerovnoměrného pohybu elektricky nabitých částic při kruhovém oběhu. Podle známého Larmorova vzorce elektrodynamiky je intenzita tohoto vyzařování úměrná elektrickému náboji a druhé mocnině zrychlení pohybu částice, zde se jedná o dostředivé zrychlení kruhového pohybu. Při dané kinetické energii je tedy intenzita synchrotronového záření nepřímo úměrná kvadrátu hmotnosti částice. Tento jev se proto uplatňuje především při kruhovém urychlování lehkých částic, elektronů, které se při dosažení vysokých kinetických energií pohybují vysokými rychlostmi a s vysokými radiálními zrychleními. U protonů vzhledem k jejich vysoké hmotnosti je synchrotronové vyzařování milionkrát menší.
  Lineární collidery mají další nevýhodu: zatímco u kruhových colliderů se urychlené částice magneticky opakovaně vracejí do interakčního místa a tam se jejich dráhy mnohokrát protínají, u lineárních colliderů se urychlený shluk částic se svým protiběžným shlukem setká pouze jedenkrát a většina částic uletí pryč - jejich energie je ztracena. Uvažuje se proto o určité "rekuperaci" energie nesené svazkem částic prošlých interakční oblastí: tyto částice by po průletu interakční oblastí mohly postupně předávat svou energii urychlovací struktuře v protilehlém lineárním urychlovači. Další možností je využití částic, které bez interakce proletěly interakční oblastí, k experimentům na pevných terčících.
Protonové nebo elektronové urychlovače ? 
Protony a elektrony (vč. pozitronů) jsou z hlediska svých vlastností a struktury velmi odlišné částice, což se projevuje odlišnými mechanismy interakcí. Protony mají složitou vnitřní strukturu kvarků interagujících prostřednictvím gluonového pole. Při jejich vysokoenergetické srážce neinteragují jako celek, ale energie interakce se rozdělí na jednotlivé kvarky, přičemž v gluonovém poli dochází k produkci většího množství dalších částic - dvou a tříkvarkových kombinací, mezonů a baryonů. Tyto procesy jsou sice důležité z hlediska studia silných interakcí a vlastností hadronů, avšak energie interakce se "rozmělní" na velký počet sekundárních částic; nelze dosáhnout koncentrace energie na malý počet částic. Zhruba 1/2 hybnosti protonu je nesena gluony, v protonu jsou vázány 3 kvarky. Na každý kvark tak připadá cca 1/6 hybnosti protonu, takže efektivní energie kvarkových interakcí je Eef»E/6. (při eletron-protonové kolizi je to zhruba Eef»E/Ö6). Při protonových srážkách vstupují do interakcí všechny kvarky, které "zamoří" detekční prostor kolem místa interakce množstvím sekundárních částic (obr.1.5.1G,H). V tomto "balastu" je značně obtížné "najít" (odseparovat) vzácné případy požadované interakce jedné z dvojic kvarků.
  Elektron je naproti tomu částice prakticky bodová bez vnitřní struktury (aspoň v nám známých a dostupných prostorových měřítcích). Při vysokoenergetické srážce proto elektrony interagují jako celek (E
ef=E), vzniká podstatně méně sekundárních částic, na které se koncentruje podstatně větší část energie. Pro hledání nových masivních částic jsou proto interakce urychlených kompaktních elektronů výhodnější, než složitě strukturovaných protonů. Zjednodušeně se dá říci, že při vysokých energiích jsou srážky elektronů "tvrdší" než srážky protonů. Elektronové srážky jsou podstatně "čistší" než protonové, vzniká při nich mnohem méně sekundárních částic (srovnejme příslušné Feynmanovy diagramy na obr.1.5.1). Výhodou je proto nižší radiační pozadí nezajímavých částic, mezi nimiž se snadněji hledají požadované masivní částice. Zdá se tedy, že pro dosažení nejvyšších faktických koncentrací energií při interakcích budou výhodnější velké urychlovače elektronů - vstřícné elektron-pozitronové srážky.
Pozn.: Konstruktéři dosud největšího urychlovače LHC v CERN již projektují stavbu velkého elektron-pozitronového collideru pod názvem CLIC (Compact LInear Collider) s energií 3TeV.
Vesmírné urychlovače ?
 
Zmíněné technické problémy a omezení jsou povětšinou dány pozemskými podmínkami, v nichž se urychlovače konstruují. Mnohé z těchto problémů by automaticky odpadly, kdybychom urychlovače instalovali mimo prostor naší Země. Konstrukce urychlovačů ve vesmíru má několik principiálních výhod:
¨ Dostatek volného prostoru
pro instalaci i těch nejrozsáhlejších urychlovacích systémů.
¨ Beztížný stav
Odpadá nutnost robustních konstrukcí zajišťujících mechanickou pevnost. Lze též snadno, bez konstrukčních zásahů, provést změny polohy a rekonfiguraci jednotlivých částí urychlovacího systému v prostoru.
¨ Vysoké vakuum,
které je k dispozici všude, v celém prostoru, a to "zadarmo". Odpadá tedy nutnost konstruovat urychlovací trubice, v nichž v pozemských podmínkách jen obtížně udržujeme potřebné vakuum. Urychlované částice se mohou pohybovat ve volném prostoru po drahách, přesně určených a tvarovaných magnetickým polem.
¨ Nízká teplota
(při odstínění slunečního záření, nebo ve vzdáleném vesmíru), která u vhodných materiálů automaticky zajišťuje supravodivost. Cívky elektromagnetů tedy není nutno chladit, jednou vzbuzený proud se bude trvale udržovat a budit permanentní magnetické pole k potřebnému zakřivování drah urychlovaných nabitých částic. I elektromagnety s časově proměnným magnetickým polem budou pracovat bez energetických ztrát teplem.
  Reálnému využití těchto principiálních předností však za současného stavu naší techniky brání zatím velmi obtížně řešitelné technické problémy. Je to především vynesení konstrukčního materiálu o vysoké váze (statisíců tun) ze zemského povrchu, proti gravitaci, na oběžnou dráhu kolem Země, nebo dokonce do vzdáleného vesmírného prostoru. Na to zatím technické prostředky nemáme, současné rakety jsou příliš slabé, pomalé a neefektivní. Dále je to otázka dálkového napájení elektrickou energií a též zajišťování přesné polohy jednotlivých částí urychlovacího systému se submilimetrovou přesností. Pouze oblast přenosu měřených dat z interakcí částic by byla řešitelná i prostředky naší současné elektroniky (která v posledních desítiletích - jako jediná z technických disciplin - udělala zásadní kvalitativní pokrok!).
  V budoucnu lze očekávat, že experimenty s částicemi urychlenými na nejvyšší energie ze z pozemského prostoru přesunou do vesmíru...

1.4. Radionuklidy   1.6. Ionizující záření

Zpět: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Jaderná a radiační fyzika Detekce a spektrometrie záření Aplikace záření
S c i n t i g r a f i e Počítačové vyhodnocování scintigrafie Radiační ochrana
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu   |  Antropický princip aneb kosmický Bůh
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann