O vynálezci bublinkové komory Donaldu Glaserovi

Fyzika většinou vyžaduje experimenty a měření. Změnila se pouze měřítka – pokud Galileo vystačil s kyvadlem, Gray s hedvábnými vlákny, Coulomb se zakrouceným drátem a madam Curieová s malou ionizační komůrkou, zvětšily se dnes rozměry a ceny fyzikálních měřicích přístrojů včetně výše nákladů na jejich provoz milionkrát. S rozvojem částicové fyziky došlo v průběhu 20. století kromě výstavby gigantických urychlovačů také k objevům a vynálezům moderních detektorů nabitých částic. Za konstrukci jednoho z nich – bublinkovou komoru – získal ve svých 34 letech v roce 1960 Nobelovu cenu za fyziku americký fyzik a neurobiolog, profesor fyziky na státní Kalifornské univerzitě v Berkeley Donald Glaser. V kalendáři historie světové vědy a techniky si letos připomínáme devadesáté výročí jeho narození.

Donald Arthur Glaser se narodil 21. září 1926 v Clevelandu (Ohio) v rodině ruského emigranta, kterému se podařilo získat azyl a nový domov v USA. V rodném městě navštěvoval gymnázium, kde se již záhy projevil jeho zájem o matematiku a přírodní vědy. Zároveň od dětských let miloval i hudbu, učil se hře na housle a violu a na konzervatoři studoval mimo jiné také skladbu. V šestnácti letech se dokonce stal řádným členem clevelandského symfonického orchestru (Cleveland Orchestra), který patří mezi nejproslavenější hudební tělesa v USA.

Doktorát za práci o kosmickém záření s vysokou energií

Po ukončení středoškolského studia se zapsal na clevelandský Caseův technologický institut, kde navštěvoval přednášky z matematiky a fyziky. V roce 1946 získal magisterský diplom a krátce zde působil jako asistent. V dalším vzdělávání pokračoval na Kalifornském technologickém institutu (California Institute of Technology, krátce Caltech), soukromé univerzitě se zaměřením na výzkum v oblasti vědy, technologie a inženýrství ve městě Pasadena v sídelní oblasti Los Angeles, která patří mezi vědecky nejúspěšnější univerzity ve světě.

Po získání doktorátu za práci o kosmickém záření s vysokou energií působil od roku 1949 jako profesor matematiky a fyziky na veřejné Michiganské univerzitě (University of Michigan) ve městě Ann Arbor. Po deseti letech přešel v roce 1959 jako profesor fyziky na státní Kalifornskou univerzitu v Berkeley (UC Berkeley), kde pracoval dlouhá léta až do odchodu na odpočinek v Lawrencově laboratoři pro výzkum záření.

Nobelova cena za fyziku za bublinovou komoru

V roce 1960 byla Donaldu Glaserovi udělena Nobelova cena za fyziku – za průkopnické práce v oblasti elementárních částic založené na konstrukci bublinkové (bublinové) komory. Ta se ve své době stala převratnou inovací, která změnila svět částicové fyziky a stala se nezbytnou součástí mnoha výzkumných fyzikálních pracovišť. Z řady dalších vědeckých a společenských ocenění jen připomeňme udělení titulu „osobnost roku amerického časopisu Time“ (1960), každoročně propůjčeného osobám, které nejvíce ovlivnily události daného roku. Zemřel v Berkeley v milovaném Sanfranciském zálivu 28. února 2013 ve věku nedožitých 87 let.

Z historie zobrazování drah subatomárních částic

Když nabitá částice prolétá plynem, zanechává za sebou stopu ionizovaných atomů. Všechny typy přístrojů určených k registraci vlastností elektromagnetického vlnění a částic se zakládají na schopnosti nějakým způsobem tuto ionizaci zviditelnit. Prvním detektorem schopným zachytit stopy nabitých částic byla mlžná komora, vynalezená v roce 1912 skotským fyzikem Charlesem Wilsonem, působícím tehdy v proslulé Cavendishově laboratoři. Údajně jej k tomuto vynálezu již o rok dříve inspirovala procházka v zamlžených skotských horách, po které začal přemýšlet o tom, jak kapičky vody vytvářejí mraky, když kondenzují na prachu či jiných pevných částicích. Wilsonova mlžná komora je opatřena pístem a naplněna vodní parou. Když pístem rychle roztáhneme vlhký vzduch, prudce se tím ochladí. Když pak částice radioaktivního či kosmického záření procházejí komorou, ionizují molekuly vodní páry a vytvářejí tak podél své trajektorie kondenzační zárodky, na kterých se srážejí  kapičky vody. Další fyzikové provedli řadu vylepšení. Vodní páru nahradili parami alkoholu nebo oxidu uhličitého a přidali magnetické pole, které dráhy částic zakřivuje. Směr ohybu odhalí, zda mají kladný či záporný náboj, velikost zakřivení umožňuje spočítat jejich hybnost. Pokud dokážeme odhadnout i rychlost částice, můžeme ze vztahu mezi rychlostí a hybností spočítat její hmotnost, a tak ji identifikovat. Efektivita práce s mlžnou komorou se postupně zvyšovala jejím propojením s jedním nebo dvěma Geigerovými počítači připojenými ke spouštěcímu mechanismu fotografického přístroje. Po dalších 40 let využívali fyzici mlžné komory k detekci nových částic. Přispěly například k objevu pozitronu (antičástice elektronu) v roce 1932 i tzv. podivných částic.

Glaser zdokonalil Wilsonovu mlžnou komoru

Profesor Glaser veden snahou usnadnit a urychlit pozorování elementárních částic zkonstruoval několik nových přístrojů. Především se zabýval dalším zdokonalováním Wilsonovy mlžné komory.

S příchodem urychlovačů produkujících vysoce energetické částice vyvstaly problémy se způsobem jejich detekce. Zaznamenat například životní cyklus částic o energiích několika GeV by vyžadovalo mlžnou komoru dlouhou sto metrů. Mlžné komory pracují kromě toho pomalu, protože cyklus stlačení a rozepnutí vzduchu v nich může trvat několik minut. Přitom urychlovače částic z 50. let minulého století dodávaly pro experimenty pulzy protonů každé dvě sekundy. Glaser potřeboval detektor schopný zaznamenat i tyto vysoce energetické a zároveň rychle se pohybující částice. Plyny na to byly příliš řídké, a tak přišly na řadu kapaliny, které mohou díky větší hustotě s vysoce energetickými částicemi interagovat lépe. To vedlo ke zhotovení bublinkové komory. Základní myšlenkou daného zařízení je připravit vodu při vysokém tlaku a teplotě blízké bodu varu za tohoto tlaku. Jakmile se tlak jen málo sníží, voda začne vřít. Pokud se ale snížení tlaku provede velmi rychle, voda se nestačí začít vařit, ale zůstane v metastabilním stavu přehřáté kapaliny. Stačí pak sebemenší podnět a voda se začne vařit.

Bublinková stopa

Právě na tom je založena Glaserova metoda detekce. V komoře nejprve zvýšíme tlak, aby se horká kapalina nemohla vařit, ale pak jej náhle prudce snížíme. Částice, které do takové komory v kritický moment z urychlovače vstoupí, vyvolají podél své dráhy v důsledku interakcí (ionizace atomů) var. Na kratičký zlomek sekundy (pouhou miliontinu) se tak podél trajektorie částice vytvoří viditelná bublinková stopa, kterou je možné z různých stran pomocí několika stereokamer vyfotografovat. Okamžité obnovení vysokého tlaku, než začne vřít veškerá kapalina (éter nebo později kapalný vodík; Glaser v prvních verzích zařízení prý používal pivo) ji pak může obratem přivést zpět pod bod varu, a celý proces tak lze velmi rychle zopakovat. Bublinková komora zaznamenává, kde se částice nacházely po celou dobu od vstupu až po expozici a posunutí filmu (celá expozice trvá zhruba sekundu) a poskytuje tak dobré podmínky pro jejich studium.

Důkaz existence bosonů W a Z

Pomocí bublinkové komory fyzikové objevili řadu základních částic, jež do té doby nebylo možné jiným způsobem identifikovat. Sám Glazer na různých typech tohoto zařízení studoval vlastnosti a charakteristiky (dobu života, průběh rozpadu) nukleonů, mezonů a hyperonů. Mezi největší úlovky tohoto neobyčejně citlivého typu detektoru patří bosony W a Z, které byly předpovězeny v roce 1973 a pozorovány jako bublinky roku 1983. Glaserův kolega na Kalifornské univerzitě, experimentální fyzik Luis Walter Alvarez (1910-1988), využíval po některých svých úpravách bublinkovou komoru k objevu mnoha rezonancí (krátce žijících elementárních částic) a jejich vzájemných integrací.

Moderní způsoby detekce

Bublinkové komory dnes patří mezi zastaralé druhy detektorů částic. Před 50 lety však byly něčím skvělým. Moderní elektronika dnes nabízí mnohem více. Velké množství studovaných interakcí vyžadovalo vznik nové techniky, kterou se v 60. letech 20. století stala jiskrová komora pracující tisíckrát rychleji než komory bublinkové a celkem dobře zapadající do tehdejších technik elektronické detekce a zaznamenávání dat. Hledání a lov dosud neznámých částic vyvolalo vývoj dalších a dalších metod detekce, mezi něž patří např. multivláknová proporční a driftová komora.

Naše schopnosti poznávat původ a složení hmoty závisejí mimo jiné na pokroku ve dvou oblastech: na konstrukci ještě výkonnějších urychlovačů a na vývoji mnohem sofistikovanějších způsobů záznamu interakcí, k nimž v těchto gigantických urychlovačích dochází.

Zdroje

Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Obzor, Bratislava 1971.

Brož, I.: Slasti a strasti. Příběhy ze života nositelů Nobelovy ceny a jejího zakladatele. Olympia, Praha 2010.

Close, F.: Částicová fyzika. Dokořán, Praha 2008.

Gleick, J.: Chaos: Vznik nové vědy. Ando Publishing, Praha 1996.

Chown, M.: Kvantová teorie nikoho nezabije. Kniha Zlín, Zlín 2010.

Jackson, T.: Fyzika. 100 objevů, které změnily historii. Nakladatelství Slovart, Praha 2014.

Hey, T., Walters, P.: Nový kvantový vesmír. Argo/Dokořán, Praha 2005.

Mandelbrot, B., B.: Fraktalista. Rebelem ve vědě. Argo/Dokořán, Praha 2014.

Norrby, E.: Nobelovy ceny a přírodní vědy. Academia, Praha 2013.

Paturi, F., R.: Kronika techniky. Fortuna Print, Praha 1993.

Robinson, A. (ed.): Vědci. Cesty objevů. Nakladatelství Slovart. Praha 2013.

Weinberg, S.: Snění o finální teorii. Hynek, Praha 1996.

Weinlich, R.: Laureáti Nobelovy ceny za fyziku. ALDA, Olomouc 1998.