Ing. Michal Malinský, Ph.D.

Nositel Neuron Impulsu za rok 2013

Proč dnešní vesmír vypadá právě tak, jak ho známe? Přispět k odpovědi na tuto otázku se snaží fyzik Michal Malinský, držitel grantu Neuron Impuls 2013. Ve své práci se zabýval vývojem matematického modelu umožňujícího vypočítat dobu života protonu. Ta je totiž doposud zahalena tajemstvím. Současné teorie totiž naznačují, že tento základní stavební kámen hmoty by nemusel být zdaleka tak stálý, jak bychom mohli očekávat. A právě tyto odvážné teorie by mohla práce doktora Malinského pomoci ověřit. V sázce přitom není málo. Případné potvrzení „smrtelnosti“ protonů by totiž mohlo přivést vědce na stopu tajemným silám z doposud neprozkoumaných oblastí fyziky. Ty zřejmě zásadním způsobem ovlivnily podobu vesmíru během extrémních podmínek panujících těsně po jeho zrodu.

Neuron Stories – nahlédněte do laboratoří českých vědců

Neuron Stories – poslechněte si i další příběhy vědců

Částicový fyzik odkrývá tajemství (ne)smrtelnosti protonu

Částicová fyzika není zrovna obvyklý obor. Co vás inspirovalo k tomu, že jste se rozhodl studovat zrovna ji, a ne třeba meteorologii?
Možná vás to překvapí, ale zrovna meteorologie mě vždycky zajímala. Dostal jsem dokonce od manželky pod stromeček knížku, které říkám Atlas mraků. Je to taková monografie o meteorologii. Takže meteorologie by nebyla vůbec špatná volba. To, co mě konkrétně přivedlo k částicové fyzice, byla řada náhod, a pak možná taková přirozená zvědavost. Pamatuji si, že když mi bylo asi sedm let, našel jsem u otce v knihovně velikou tlustou knihu od pana Grygara. Tuším, že se jmenovala Okna vesmíru dokořán. Byla to bichle, kterou jsem nebyl schopen unést. A to mě hrozně zaujalo. Snažil jsem se ji už jako dítě číst, ale samozřejmě jsem skončil u prohlížení obrázků. To je velká přednost astronomie, že krásu těch objektů vnímá oko každé lidské bytosti. Později, někdy na střední škole, jsem našel u otce v knihovně krásnou knížku o kvantové mechanice, která se jmenuje Pan Tompkins v říši divů od George Gamowa, která mě definitivně přivedla k fyzice. Později mi při studiu softwarového inženýrství na Fakultě jaderná a fyzikálně inženýrské padlo oko na kurzy kvantové mechaniky a kvantové teorie pole, což byly takové tajemné pojmy, které jsem už dříve vyčetl z těch populárních knížek. Během nich jsem se potkal s prof. Hořejším a stal jsem se jeho diplomantem. A to byl první okamžik, kdy jsem přišel do kontaktu se standardním modelem částicových interakcí. V tomto smyslu si myslím, že jsem měl ohromné štěstí.

Váš projekt podpořený NF Neuron byl zaměřen na hledání nových nástrojů pro studium chování hmoty za exotických fyzikálních podmínek. Proč je právě toto téma pro současnou fyziku tak důležité?
Částicová fyzika v současnosti pracuje převážně s takzvaným standardním modelem částicových interakcí. Ten je někdy označován jako nejlepší fyzikální teorie, která existuje. Je založen na kvantové mechanice, ale bere zároveň v potaz i efekty speciální teorie relativity. Je to tedy monumentální dílo, na kterém lidstvo pracovalo 50 let. Díky této teorii jsme si dnes prakticky jisti, že velmi dobře rozumíme výsledkům veškerých experimentů, a to i v extrémních podmínkách dosažitelných na moderních urychlovačích.

Standardní model je však relativně komplikovaná teorie, která stále spoustě lidí nedává spát. Na základě historických zkušeností lze očekávat, že čím víc člověk proniká do pochopení tajů hmoty, tím by ty představy měly být v jistém smyslu jednodušší a jednodušší. Podobně jako se například zjednodušily představy o pohybu těles poté, co Newton zformuloval gravitační zákony a mnoho zdánlivě nesouvisejících jevů šlo najednou popsat pomocí několika velmi jednoduchých rovnic. Trochu proto očekáváme, že i fyzikální popis částic by se měl zjednodušovat. V rámci standardního modelu to tak ale bohužel nevypadá. Není to totiž jednotná teorie všech interakcí, neboť například působení gravitace nechává úplně stranou. I takto nedokonalý model nám však umožňuje předpovědět, že za určitých mimořádně extrémních podmínek by mělo dojít ke sjednocení všech tří popisovaných sil do jedné. Tyto podmínky pro nás však zřejmě nebudou nikdy přímo dosažitelné, neboť bychom k tomu potřebovali urychlovač o velikosti celé galaxie.

Existuje nějaká přístupnější cesta, kterou by se mohli vědci ve svém pátrání vydat?
Tyto síly se naštěstí neprojevují jen při srážkách částic, ale podobně jako stojí slabá jaderná síla za rozpadem neutronů, tak i tyto síly působící při obrovských energiích se mohou velmi vzácně projevit i za běžných podmínek. Měli bychom být proto schopni čas od času pozorovat například samovolný rozpad protonu. Bohužel platí nepřímá úměra, že čím větší je potřebná energie, tím vzácnější je výskyt jevů, které tyto interakce způsobují. Při předpovědi doby života protonů v běžných pozemských podmínkách se proto dostáváme až někam ke stěží představitelnému času 10^33 až 10^38 let. Abychom měli šanci nějaký rozpad v rozumně dlouhé době vůbec spatřit, potřebujeme sledovat ohromné množství protonů najednou. Naši kolegové proto vyvinuli specializovanou aparaturu, která obsahuje 100 000 tun ultračisté vody obklopené velmi citlivou detekční technikou nastavenou tak, aby byla schopna detegovat antičástice, které by během rozpadu protonu měly vznikat. Pozoruhodné je, že tento signál je na rozdíl od pozorování na urychlovačích velmi snadno rozpoznatelný. Experti, kteří se tím zabývají, byli díky tomu schopni během posledních 50 let posunout citlivost detekce o 14 řádů až na hranici 10^34 let. Tedy do oblasti, kde bychom měli začít něco vidět.

Podařilo se už vašim kolegům nějaký signál odpovídající rozpadu protonu zaznamenat, nebo jsou jejich aparatury stále málo citlivé?
Existovalo několik takzvaných podezřelých signálů, ale žádný z nich se ještě neukázal natolik robustní, aby ho bylo možné bez nějakých dalších předpokladů interpretovat jako rozpad protonu. V tomto smyslu zatím naše hledání nebylo úspěšné. Nicméně se v současné době začínáme dostávat do oblasti, v níž tušíme, že by se něco mohlo dít. Bohužel do dnes prakticky neexistuje způsob, jak donutit teorii, aby nám sdělila něco lepšího, než je odhad někde mezi 10^33 až 10^38 let.

Ve svém projektu jste se zabýval vývojem matematického modelu, který by umožnil právě tento odhad zpřesnit. S jakými obtížemi jste se potýkal?
Kvůli extrémním extrapolacím nelze říct, že by ta teorie byla v našich rukou plně pod kontrolou. Jedním z důvodů je i to, že jsme extrémně blízko takzvané Planckovy škály, což je hranice, za kterou se zatím nedaří vůbec jít. V této oblasti hrajeme velmi nebezpečnou hru. Není totiž vůbec jasné, zda se již nezačínají projevovat efekty ještě složitější fyziky na úrovni kvantové gravitace relevantní i pro rozpad protonu. To je právě důvod, proč donedávna neexistovaly spolehlivější odhady doby života protonu. Náš projekt byl v tomto velmi ambiciózní. Před deseti lety se nám podařilo spolu s kolegy z Terstu identifikovat jednu třídu teorií, která by mohla být schopna předpovídat dobu života protonu ne s chybou 6 řádů, ale s chybou pouhé 1–2 řády. To je zcela klíčové, protože už dnes není vůbec jednoduché přesvědčit grantové agentury sedící na penězích, aby investovaly i do současných zařízení. Zajistit financování nových, ještě rozsáhlejších experimentů by proto bylo prakticky nemožné, pokud bychom se nemohli být jisti, že na nich budeme vůbec schopni něco vidět. Naším cílem tedy bylo se pokusit tyto hrubé odhady co nejvíce zpřesnit.

Jak se vám to povedlo?
To je samozřejmě to nejdůležitější. Ušli jsme velký kus cesty. Bohužel ještě nemohu sloužit s konkrétním číslem s takto malou chybou. Hlavním důvodem je extrémní teoretická náročnost výpočtů v rámci disciplíny, které se říká kvantová teorie pole. S každým řádem, o který se snažíme dostat blíž, roste exponenciálně náročnost výpočtů, ve kterých musíme nejen zohlednit, co víme, ale i to, co nevíme. Potřebujeme k tomu i kvalitní údaje od kolegů z jiných oblastí částicové fyziky, což je další důvod, proč jsme se pro tento projekt rozhodli až nyní. Ještě donedávna totiž nebylo možné získat tyto údaje s nějakou rozumnou chybou. Pomohl nám teprve nedávný prudký rozvoj výpočetní techniky.

Prozatím se nám alespoň podařilo velmi dobře pochopit, jakým způsobem měla ta teorie vypadat. Našli jsme velmi specifickou oblast něčeho, čemu se říká parametrický prostor. Trochu srozumitelněji: Každá fyzikální teorie je závislá na nějakém počtu vstupních parametrů, které nejsme schopni spočítat, ale musíme je změřit, nebo nějakým jiným způsobem určit. Je to třeba náboj elektronu nebo jeho hmotnost. Stejně tak v naší sjednocené teorii musíme nejprve pochopit, jaké jsou dovolené hodnoty použitých parametrů. Naší jedinou možností jsou tak jakési hrubé odhady, za jakých podmínek by se například začalo dít něco katastrofálního. Pokud by třeba slabé interakce byly mnohem silnější, než jsou, nemuseli bychom vůbec existovat.

Postupně tedy vyřazujete všechna nesmyslná řešení, dokud vám nakonec nezbyde nějaké použitelné?
Přesně tak. A to, co já považuji za nejdůležitější výsledek tohoto projektu tak, jak stojí a padá, je, že se nám podařilo identifikovat nepříliš velké oblasti parametrického prostoru, v nichž má smysl tu teorii uvažovat. Zatím jsme se sice stále ještě nedostali do stádia, kdy bychom byli schopni skutečně napsat na kus papíru dobu života protonu, ale jsme již poměrně blízko.

Kdyby se vaše teoretické odhady experimentálně potvrdily, co by to znamenalo pro současnou fyziku? Ovlivnilo by to například naše představy o tom, jak se zrodil vesmír a jaký bude jeho další vývoj?
Mohlo by. A to z toho důvodu, že dodnes nechápeme, proč jsme tady. Dnešní základní představy o vzniku vesmíru nejsou kompatibilní s něčím, čemu se říká baryonová asymetrie, tedy převaha protonů nad antiprotony. Jak víme, každá částice má svou antičástici. V současné době ale neexistuje žádný důvod, proč by mělo protonů vznikat víc než antiprotonů. Většina kosmologických modelů proto předpovídá, že jich vzniká stejné množství na obou stranách. Důsledkem takovéto předpovědi by ale byla jejich okamžitá vzájemná anihilace. A i kdyby se malé části antiprotonů podařilo nějakým způsobem toto anihilační peklo přežít, tak bychom je měli vidět. Nikde v nám známé části vesmíru se však žádná takováto prapůvodní antihmota nevyskytuje. Podobná fyzika, která může za rozpad protonu, by však mohla být zodpovědná i za tuto asymetrii a v raném vesmíru by tak díky ní mohlo vzniknout o něco málo víc hmoty než antihmoty. A to něco málo jsme my a celý svět kolem nás.

Autor textu: Jan Havlík

Napsali o něm: