PIVOVARSTVÍ
Jak se vyrábí
GABRIELA BASAŘOVÁ
nízkoalkoholické a nealkoholické pivo? Zájem pivovarů obohatit sortiment o nové výrobky – nealkoholická a nízkoalkoholická piva – měl několik příčin. Výrobci si uvědomovali, že trh v oblastech s nejvyšší spotřebou piva je již nasycen a nelze očekávat vyšší odbyt. Proto chtěli zajistit růst výroby novými druhy piv, zaměřenými především na proklamované zdravotní aspekty. Snažili se přijít s výrobkem, který by vyhovoval tradičním pijákům piva, ale omezil konzumaci alkoholu. Tento trend odpovídá zdravotní osvětě především v zemích s vysokou spotřebou alkoholických nápojů, mezi které Česká republika patří. V posledních letech si v konzumaci piva stále udržujeme světový primát – roční spotřeba je okolo 160 litrů na obyvatele. Co je nealkoholické a co nízkoalkoholické pivo
Označení a odlišení nealkoholického a nízkoalkoholického piva není ve světě jednotné. K určitému sjednocení došlo v zemích Evropské unie, kde jako nealkoholické pivo jsou označovány výrobky s obsahem do 0,5 objemových procent1 alkoholu, za nízkoalkoholické od 0,6 do 1,2 %. V USA výrobky s obsahem pod 0,5 % alkoholu nesměly nést název pivo, ale musely se označovat jako lehký sladový nápoj (light malt beverage). Obdobně je tomu i v Kanadě. V Japonsku jsou tato piva označována jako nápoj podobný pivu či chutnající jako pivo (beer taste drink). Nealkoholické pivo je určeno především pro řidiče, neměli by však před jízdou ani během ní pít pivo nízkoalkoholické. Obě tato piva jsou vhodná pro lidi pracující v horkých provozech, např. hutích, kde by měla omezit široce rozšířenou konzumaci běžných výrobků s vyšší hladinou alkoholu, a tím podpořit bezpečnost práce. Dalšími skupinami, u nichž se předpokládalo, že budou mít o tyto výrobky zájem, byli jednak sportovci, jednak nemocní lidé, kterým jejich choroba zabraňuje pít běžné pivo, ale nevadí jim výrobky s velmi nízkou hladinou alkoholu. V neposlední řadě se pivovary snažily výrobou těchto piv proniknout na trhy Prof. Ing. Gabriela Basařová, DrSc., (*1934) vystudovala Vysokou školu chemicko-technologickou v Praze, obor sladařství a pivovarství. Pracovala v Plzeňských pivovarech, Výzkumném ústavu pivovarském a sladařském, vedla Ústav kvasné chemie a bioinženýrství VŠCHT v Praze, kde nyní ještě přednáší předmět „sladařství a pivovarství“.
v zemích, kde je alkohol zakázán z náboženských důvodů. Předpokládaný rozvoj spotřeby, a tím i výroby nízkoalkoholických a nealkoholických piv se však nekonal. V naší republice tato piva představují pouze asi 2,5 %, z toho nealkoholické 0,89 % z celkového ročního výstavu piva (r. 2003 byl 18 534 314 hl). Obdobně je tomu i v Anglii, v SRN, ve Švýcarsku, v USA a v dalších zemích.2 Delší tradici přípravy sladového nápoje s nulovým obsahem alkoholu, který se zajišťuje vynecháním kvasného procesu, má Ka-
) Všechny údaje v tomto článku o procentech alkoholu se týkají objemových procent. ) K známým zahraničním výrobkům nealkoholických piv s obsahem 0–0,1 % etanolu patří značky Barcitan, Kaliber, Moussy a St. Christopher. Širší oblibu si získala nízkoalkoholická piva s obsahem etanolu 0,5–1,5 %, např. piva Clausthaler, Birell, Talisman, Danish Light a Highway, Swan Light.
se v praxi neujala především proto, že výrobky se chuťově od běžných piv lišily. Základní způsoby výroby nízkoalkoholických a nealkoholických piv
Postupy výroby těchto nápojů lze zhruba rozdělit do dvou skupin. Prvou skupinu tvoří receptury, které omezují tvorbu alkoholu při výrobě, druhou pak postupy, které alkohol z běžného piva šetrnou cestou odstraňují. Prvá skupina je ekonomicky méně náročná, protože se nevyžaduje nic dalšího. Pro druhou skupinu postupů jsou zapotřebí speciální zařízení na redukci alkoholu, což je investič-
1. (na předchozí straně) a 2. Filtrační stanice pivovaru Radegast, který je jedním z nejmodernějších pivovarů v České republice. Vyrábí nealkoholické pivo Radegast Birell, které skončilo v nejprestižnější soutěži World Beer Cup 2002 na druhém místě mezi všemi světovými pivy tohoto druhu. (Ilustrační snímky poskytnuty redakci laskavostí archivu Plzeňského Prazdroje, a. s.)
3. Schéma dealkoholizace piva reverzní osmózou
ribská oblast – nápoj se jmenuje Malta. Nahrazuje zde nedostupné mléko a je podáván i kojencům.3 Jakmile se pivovary začaly zajímat o výrobu nealkoholických a nízkoalkoholických piv, projevily o tuto tematiku velký zájem jak výzkumná centra, aby získala v nových postupech prioritu, tak firmy vyrábějící pivovarská zařízení, které očekávaly možnost rozšířit svůj sortiment. Publikováno bylo množství způsobů výroby těchto piv, ale většina z nich
����������������� ����
����� ��������� ��������
��������
����������������
���������� ���� ���� ����������������
�������� ��������
���������� ����
�������� ��������
����
4. Schéma dealkoholizace piva dialýzou
ně i energeticky náročnější, ale tato piva se vesměs chuťově méně odlišují od piv s normální hladinou etanolu. Technologie bez nároků na speciální zařízení – omezení tvorby alkoholu
l Zkvašování mladiny s nízkým obsahem sacharidů, který se zajistí použitím sladů s malou aktivitou β-amylázy. Tento postup při výrobě nízkoalkoholických a nealkoholických piv se v českých pivovarech uplatňuje (pivo Pito). Zakvašuje se mladina ochlazená na nízkou teplotu 3–3,5 °C a při krátkém kvašení se nechá teplota vystoupit nejvýše na 6 °C.4 Pak se směs rychle ochladí k 0 °C a pivo zůstává na kvasnicích ležet při nízké teplotě, aby se obohatilo o typické buketní látky,
„Dám si Birell“ Taková objednávka například v restauraci se stává postupně synonymem pro nealkoholické pivo. Stejné je to i při nákupech v obchodě. Důvod je jasný: Sedm z deseti v ČR vyrobených a prodaných nealkoholických piv (lahvových a sudových dohromady) a téměř každé deváté z ČR exportované nealkoholické pivo byl v roce 2004 Birell. Segment nealkoholického piva každoročně roste, konzumenti hledají alternativy k sladkým nápojům. Loni tak celkový prodej vzrostl na 202 tisíc
hektolitrů, z toho v tuzemsku se jich vypilo 170 tisíc. Myšlenka přijít na trh s inovací v podobě nového nealko piva vznikla v Radegastu na počátku 90. let a byla spojena se záměrem najít ve fi nálním výrobku něco jiného, než spotřebitel nacházel v do té doby známém Pitu. Dlouhodobým cílem byla představa postupného rozvoje tohoto piva s minimálními náklady na reklamu. Tak, aby nealko pivo přesvědčovalo o své kvalitě, nacházelo nové loajální zákazníky a bylo
schopno odolávat konkurenci. Toho mělo být dosaženo neměnnou vysokou kvalitou a podobností s běžným pivem. Abychom od konzumentů co nejčastěji slýchali dotazy: „To pivo je opravdu nealkoholické? Chutná jako běžné pivo.“ A to se povedlo. Cesta nebyla zas tak složitá. Šlo o to, že experti z Radegastu vždy budoucnosti značkového nealkoholického piva u nás věřili. Nápad vznikl v dubnu 1991. Navázali jsme první kontakty s curyšským pivovarem Hurlimann, tehdejším majitelem značky Birell. V jeho historii zanechal významnou stopu pivovarský odborník Dr. Karl Steiner, který byl nositelem technologie uvedené do praxe v roce 1962. V roce 1991 byla podepsána mezi oběma pivovary licenční smlouva, na jaře 1992 se uskutečnila týdenní stáž dvou expertů Radegastu v Curychu. V květnu 1992 byla pak v Radegastu
výstav nealkoholického piva [1000 hl] podíl nealkoholického piva na celkovém výstavu piva vyrobeného v ČR [%] index bazický
2000
2001
2002
2003
2004
117 0,65
135 0,76
151 0,83
166 0,9
202 1,08
100
sob musí být předem vyčeřena, aby pevné částice nezalepovaly imobilizovaný biosystém. Nerozpustné nosiče s navázanou či jinak zachycenou kvasinkovou populací (v pivovarství nejčastěji alginátové pelety) se postupně aplikují do mladiny v kvasné nádobě. Následuje zrání piva při nízké teplotě a další běžné závěrečné úpravy. l Využití speciálních kmenů kvasinek bylo sice navrženo, ale v praxi se zatím nerealizuje. Šlo o náhradu pivovarské kvasinky Saccha-
172,6
5. Nealkoholická piva v České republice. Podle Pivovarského kalendáře 2005, vydal Výzkumný ústav pivovarský a sladařský, a. s., 2004
) Připravuje se smícháním mladiny s kvasnicemi, aby se obohatil typickými buketními těkavými látkami. Směs se výrazně sytí oxidem uhličitým, čímž se zabrání rozvoji kvasného procesu, a pak se adsorbenty sníží obsah dusíkatých látek, nápoj se filtrací vyčeří, přidají se proteolytické enzymy, které sníží tvorbu nebiologických zákalů (nápoj se stabilizuje) a pasterací se zajistí lepší biologická trvanlivost výrobku. O výrobě klasického piva včetně vysvětlení technologických pojmů viz Vesmír 82, 550, 2003/10 a dále dvoustranu Cesty piva, Vesmír 82, 570–571, 2003/10. ) Běžné teploty při tradičním kvašení se pohybují od zakvašování při 6 ºC do maxima 13 ºC.
ODPADY A JEJICH ZPRACOVÁNÍ Problémem využití popsaných technických zařízení pro dealkoholizaci piva je zpracování odpadů. U destilačních technik to jsou kondenzáty brýdových par, které obsahují 8–12 % etanolu. Pokud pivovar vyrábí tímto způsobem větší množství nízkoalkoholických a nealkoholických piv, vyplatí se mu pořídit si zařízení na destilaci, při malé produkci by však návratnost této investice byla v nedohlednu. Ovšem vypouštění brýdových par do ovzduší neodpovídá předpisům, a tak se většinou jejich kondenzáty někde „rozpustí ve výrobě piva“ – obvykle se zpracují ve varně. Destilace alkoholu z permeátů membránových technik by byla v každém případě neekonomická (obsah etanolu je pouze 1,5–2,2 %). Do odpadních vod je vypouštět nelze a obvykle se v pivovaře přimíchávají do varní vody. Pivovarům, které mají velkou produkci piv s redukcí etanolu membránovou technikou, a tím produkují velké množství permeátu, se doporučuje založit výrobu mikrobiální biomasy. Kromě permeátů s alkoholem jako zdrojem uhlíku pro mikroorganizmy se zpracují i další odpady, např. sladové mláto, které obsahuje podstatně větší soubor a množství látek důležitých pro pomnožení mikroorganizmů.
uvařena první várka. Dnes již pivovar uprostřed Curychu po několikeré změně majitelů pivo nevaří, o to více jde kdysi jedna z jeho značek na odbyt v Čechách a na Moravě. Technologie byla přenesena do Nošovic jen zhruba. Naši sládci si ji hned od počátku v důležitých detailech upravili. Měli na paměti důraz, který naši pijáci piva kladou na plnost a příjemnou hořkost, a byli vedeni snahou vyrábět nealko pivo v konečném výsledku co nejpodobnější běžným, alkoholickým českým pivům. Ptáte-li se, co je tedy předmětem licence, jsou to kvasnice, které jsou zcela jiné než ty, které se používají k výrobě ostatních značek. Jiné podmínky vaření, hlavního kvašení i zrání a dokvašování jsou pro výrobu tohoto piva typické. Podobně jako to, že detaily výrobního postupu patří k obchodnímu tajemství, které
má základ v ustanoveních licenční smlouvy (poskytovatelem licence je dnes Carlsberg A/S). A ještě jinak – nealkoholické pivo Birell je láhvové nebo sudové pivo s minimálním množstvím alkoholu (do 0,49 % obj.), je to vlastně „pět a půlka“ s hořkostí a pěnivostí světlých ležáků českého typu, která je vyráběna přirozenou cestou (s prokvašením do 20 %). Žádné „násilnické“ fyzikálně-chemické metody (odpařování, reverzní osmóza apod.) se k jeho výrobě nepoužívají. Snad je i na jeho chuti poznat, že Birell vaří v Radegastu s láskou a nevšední péčí. Zaslouží si to. Nikdy nás nezklamal, podobně jako konzumenty – řidiče, sportovce, aktivní lidi, nahodilé zákazníky. V portfoliu značek Plzeňského Prazdroje má Birell skutečně své pevné místo. Alexej Bechtin
INZERCE 443
ale neprokvašovalo. Poté se filtruje a stabilizuje (snižuje se obsahu koloidů typu polypeptidů a polyfenolů, které u stočeného piva způsobují nebiologické zákaly). Po filtraci se nasytí oxidem uhličitým, stočí se a pasteruje. Postup se musí dokonale prověřit a upravit podle kvality zpracovávaného sladu i technologie daného závodu, protože výrobky inklinují k silnější sladové příchuti, která může být chuťově až velmi nepříjemná. l Smíchání piva s nezkvašenou sladinou nebo mladinou čili jakési „naředění“ koncentrace alkoholu. Tato směs pak několik týdnů leží na kvasnicích při nízké teplotě, která omezuje metabolizmus kvasnic. Potom se provedou stejné operace jako u předchozí technologie – jsou součástí všech postupů výroby nízkoalkoholických a nealkoholických piv. l Oddělené zakvašení dvou mladin různých koncentrací a následné smíchání podílů mladého piva z obou várek v poměru, který zajistí požadovanou redukovanou hodnotu etanolu v konečném výrobku. Na tomto principu je založen Barrel Patent, pocházející z Anglie. l Využití inhibičního účinku tlaku na množení a metabolizmus kvasinek. V tomto případě se kvašení provádí pod tlakem a při nízké teplotě. Obdobně lze omezit činnost kvasinek, a tím zajistit i nižší tvorbu etanolu kvašením mladiny nasycené oxidem uhličitým. Stejně tak se kvašení mladiny omezí za aerobních podmínek při silném větrání. l Odstranění alkoholu z mladého piva povařením po hlavním kvašení a novým kvašením tohoto piva při velmi nízké teplotě bylo sice patentováno, postup však poskytuje výrobky s vyšší hodnotou barvy, porušuje senzorickou kvalitu a koloidní vlastnosti piva, které pak předčasně tvoří nebiologické zákaly při skladování a transportu. l Imobilizace kvasinek, která umožňuje regulovat dobu styku mladiny s kvasinkami, a tím i míru zkvašování sacharidů za tvorby etanolu, patří k postupům elegantním, ale technicky náročným. Mladina pro tento způ-
POZOR NA DIA PIVO Stává se, že si někteří lidé pletou pivo pro diabetiky s nízkoalkoholickým a nealkoholickým pivem, což je nebezpečné především pro řidiče. DIA pivo je vhodné pro nemocné, kteří trpí určitým typem diabetes. Vyrábí se postupy, které, zajistí intenzivní zkvašení cukernatých látek mladiny pomocí technologických úprav a určitých enzymových přípravků. Výsledkem je pivo s velmi nízkou hladinou zatěžujících sacharidů. Vzhledem k vyššímu prokvašení má však toto pivo i vyšší obsah alkoholu v porovnání s pivem vyrobeným ze stejně koncentrované mladiny. DIA pivo je vhodné pro nemocné s určitou formou diabetu a lékař musí posoudit, zda zvýšená hladina etanolu je pro jeho pacienta přípustná, či může škodit. V každém případě řidič, který si pochutná na DIA pivu v domnění, že je to pivo nealkoholické, a s veselou myslí sedne za volant, rychle ztratí dobrou náladu vzhledem k výši pokuty, kterou dostane za výsledek dechové zkoušky. Naopak vyšší obsah zatěžujících sacharidů v málo prokvašených nealkoholických a nízkoalkoholických pivech je nebezpečný pro diabetiky.
romyces cerevisiae var. uvarum druhem Saccharomyces ludwigii, který nezkvašuje hlavní cukr obsažený v pivovarské mladině – maltózu. Uvažovalo se rovněž o pivovarských kvasinkách, u nichž byla genovými manipulacemi redukována aktivita enolázy – enzymu, který je důležitý pro poslední metabolický krok v tvorbě etanolu. l Částečná náhrada sladu pro várky piva upraveným pivovarským odpadem (sladovým mlátem) je postup, jenž byl publikován jako možnost, která sníží množství zkvasitelných sacharidů v mladině, a tím i tvorbu etanolu. Jak toto pivo chutná, popsáno nebylo, ale o jeho kvalitě lze pochybovat. Mohl by následovat výčet dalších publikovaných námětů výroby nízkoalkoholických a nealkoholických piv, ale vesměs to jsou postupy, jejichž úspěšnost skončila v laboratorních, nanejvýš v čtvrtprovozních podmínkách. Technologie používající speciální zařízení na odstraňování alkoholu
224
Vesmír 84, duben 2005 | http://www.vesmir.cz
��� ����
) Na rozdíl od reverzní osmózy pracuje dialyzační zařízení bez nároků na tlak a teplota se pohybuje od 1 do 6 ºC.
� �� �� � ��� ����� ���� ��
��� ���
) Zařízení pracuje při tlaku asi 40 bar, což způsobuje zvyšování teploty. Proto se musí celé zařízení chladit, aby teplota piva nepřestoupila 15 ºC.
6. Podíl jednotlivých značek nealkoholických lahvových piv na trhu v České republice za rok 2004 prodaných v prodejnách a supermarketech. Podle agentury AC Nielsen.
� �� ���
) Kyslík přítomný v běžné vodě nepříznivě působí na senzorické vlastnosti a koloidní stabilitu piva. Způsobuje oxidační změny extraktu pivních látek, jejichž následkem je zvýšení barvy, změna chuti a náchylnost k tvorbě nebiologických zákalů při skladování. Zařízení na přípravu odplyněné vody je většinou založeno na principu odstraňování plynů (především kyslíku) pomocí membránové techniky. Kromě odplynění se tímto postupem odstraní i dusičnany. Pro pivovar, který má problémy s obsahem dusičnanů ve vodě (povolený limit je stejný jako u pitné vody – 50 mg/l), má potom zařízení dvojí použití.
Pro odstraňování etanolu z piva vyrobeného tradiční technologií je k dispozici řada postupů: n destilace etanolu šetrným způsobem z pivního filmu stékajícího v trubkových odparkách, vakuová destilace na deskovém výměníku tepla, vakuové odpaření etanolu v tenké vrstvě na talířích výkonné odstředivky; n odstranění etanolu pomocí reverzní osmózy; n dialýza piva; n extrakce piva fluidním oxidem uhličitým; n sprejové sušení piva a následné naředění prášku odplyněnou vodou; n frakční krystalizace či lyofilizace. Z destilačních postupů se v praxi především v zahraničních pivovarech nejvíce realizovaly postupy založené na odparu etanolu. Teploty nepřekračují hodnoty 30–45 ºC, což minimalizuje změnu barvy a chuti piva. Piva odalkoholizovaná destilací mají vyšší koncentraci extraktu původní mladiny (dříve nazývanou stupňovitost) než původní výrobek. Proto se musí naředit odplyněnou vodou na původní hodnotu.5 Po odstranění etanolu a naředění zraje výrobek v ležáckých nádobách. Následují filtrace, stabilizace, nasycení oxidem uhličitým, stáčení a pasterace piva. K destilaci se používají dvoustupňové až třístupňové odparky se sloupci trubek, kte-
ré jsou zvnějšku vyhřívány parou (na 45 ºC). Po vnitřních stěnách trubek stéká v tenkém filmu pivo a odpařený alkohol se odvádí do sběrače, a pak do kondenzátoru. Částečně odalkoholizované pivo postupuje do dalšího stupně odparky. Dalším zařízením pro dealkoholizaci piva je vakuová destilace alkoholu. Pivo se v deskovém výměníku vyhřeje na 45 ºC a převede se do stripperu aromatických látek, což je nádoba, v níž se při nižší teplotě koncentrují snadno těkavé látky z chmele a sladu, které jsou důležité pro pivní buket. Ty se rychle při nízké teplotě odpaří a soustředí v rekombinačním tanku. Pivo ze stripperu se převede do vakuové sekce odparky. Zde se při teplotě asi 40 ºC odpaří etanol a odchází do kondenzátoru. Dealkoholizované pivo se ochladí na deskovém výměníku na 0–1 ºC, přidají se k němu dříve odpařené snadno těkající látky, naředí se odplyněnou vodou na původní koncentraci a provedou se další běžné úpravy. Švédská firma Alfa Laval dodává pro vakuový odpar speciální talířové odstředivky, které pracují s 1500 otáčkami za minutu a piva se v tenkém filmu při teplotě 30–40 ºC na vyhřívaných talířích zdrží pouze 0,5 sekundy. Redukce etanolu v pivu pomocí membránových technik se v provozu používá za různých tlakových podmínek. Principem je oddělení látek určité molekulové hmotnosti, speciálně etanolu, jenž projde póry membrány, zatímco ostatní látky z extraktu, důležité pro chuť a aroma piva, které mají vesměs větší molekulovou hmotnost než etanol, zůstávají v pivu zachovány. Jedním z postupů je reverzní osmóza (obr. 3). Při tangenciálním nátoku piva (tzv. cross flow) projdou membránou malé molekuly, především etanol a voda, která se doplňuje přítokem odplyněné diafiltrační vody, jejíž spotřeba je přibližně 2–3 hl na 1 hl piva při snížení obsahu etanolu v pivu z 4 % na 0,5 %.6 Zahuštěné pivo postupuje do sběrného zásobníku, kde se naředí odplyněnou vodou na původní
������ ��������������� �����������
�������������
koncentraci a provedou se další běžné technologické operace. Při dialýze (obr. 4) se etanol odděluje na základě vyrovnávání rozdílných koncentrací. Na jedné straně membrány protéká odsolená voda a opačným směrem na straně druhé cirkuluje pivo. Membránové póry specifických rozměrů propouštějí jen molekuly vody a etanolu. Alkohol přechází z piva do dialyzátu tak dlouho, dokud na obou stranách nedojde k vyrovnání koncentrací. Dialyzát se průběžně odvádí a odparem se z něj odstraňuje alkohol, poté se zase vrací do dialyzačního zařízení. Tento proces probíhá tak dlouho, až se v pivu docílí potřebné snížení etanolu.7 Postup je vůči pivu velmi šetrný a nedochází k žádným změnám barvy ani pivního extraktu. Ztráty oxidu uhličitého jsou však větší, i když si pivo zachovává původní koncentraci a nemusí se ředit. Nízkoalkoholická a nealkoholická piva připravená oddělením etanolu z hotového piva odpařením či pomocí membránové techniky jsou chuťově velmi podobná pivům s běžným obsahem alkoholu. Jejich výroba však vyžaduje další investice a spotřebovává více energie, proto jsou tato piva většinou dražší než běžné výrobky. Z jednoduchého nástinu operací při různých výrobních technologiích nealkoholických a níz-
značka piva
výstav piva [hl]
Pito Ferdinand Fríí…! Budvar Free Pito Budweiser bier nealko
2 244 11 124
Královské pivo Litovel FREE – nealkoholické Primátor nealko Radegast Birell Pernštejn PITO Rallye Platan Alcohol Free Zubr Free
141 325
výrobce Pivovar Benešov, spol. s r. o. STAROBRNO, a. s. Budějovický Budvar, n. p. Budějovický měšťanský pivovar, a. s. Pivovar Litovel, a. s. Pivovar Náchod, a. s. Plzeňský Prazdroj, a. s., Pivovar Radegast Pivovar Pardubice, a. s. Pivovary Staropramen, a. s. Pivovar Staropramen Městský pivovar PLATAN, s. r. o. Pivovar ZUBR, a. s.
koalkoholických piv je patrné, že stejně jako při výrobě běžného „alkoholického“ piva hrají velkou, ne-li největší roli schopnosti sládka a jeho spolupracovníků. Ti musí umět vzájemně regulovat sled operací, reagovat na rozdíly v kvalitě surovin způsobené např. klimatickými podmínkami v jednotlivých letech. Vedle znalostí a zkušeností musí mít i štěstí při výběru nejvhodnější technologie pro svůj výrobek. Ne nadarmo se říká, že výroba piva je uměním – a u piv s redukovaným obsahem alkoholu to platí stoprocentně. Ö
7. Nealkoholická piva – výrobci a značky piv (výběr). Podle Pivovarského kalendáře 2005, vydal Výzkumný ústav pivovarský a sladařský, a. s., 2004
Od barevných kvarků ke kvantové chromodynamice JIŘÍ CHÝLA
Nobelova cena za fyziku v roce 2004
Loňská Nobelova cena za fyziku byla udělena za objev, který zásadním způsobem změnil naše chápání sil působících v mikrosvětě a který ve svých důsledcích vedl k tomu, že jsme pochopili strukturu protonů a neutronů, tedy částic, z nichž se skládá 99,9 % hmoty na Zemi. Objev vlastnosti některých sil působících v mikrosvětě, jež se nazývá asymptotická volnost, má však i širší důsledky, neboť se dotýká otázky, jaký má – či nemá – smysl hovořit o něčem, co neexistuje v přírodě jako izolovaný objekt, ale jen jako součást složitějších systémů. Rubem asymptotické volnosti je totiž uvěznění kvarků, jev mimořádně zajímavý a v našem běžném životě velmi neobvyklý. Abychom mohli aspoň v hrubých rysech pochopit hloubku a krásu těchto jevů a klikatou cestu k nim, musíme si připomenout základní experimentální i teoretické objevy, které přispěly k formulaci našich dnešních představ o struktuře hmoty na velmi malých
Pokrok ve vědě jde často daleko složitějšími cestami, než jak se o tom dočítáme v knihách o historii vědy. To platí zvláště o teoretické fyzice, částečně proto, že dějiny píší vítězové. Historikové často ignorují různé cesty, jimiž se vývoj ubíral, mnohé falešné stopy, po nichž se ubírali fyzikové, a všechny chybné představy, jež měli. Četbou historických pramenů jen vzácně získáme správnou představu o skutečné podstatě vědeckého pokroku, do něhož patří fraška stejně jako triumf. Vznik a vývoj kvantové chromodynamiky je krásný příklad vývoje od frašky až k triumfu. David Gross v přednášce „25 let asymptotické volnosti“, 1998
vzdálenostech a o zákonitostech, které v mikrosvětě platí. Tyto představy jsou shrnuty v standardním modelu. Esa, nebo kvarky?
Období od roku 1950 do poloviny šedesátých bylo bohaté na experimentální objevy nových částic. Některé byly objeveny v kosmickém záření, ale od roku 1953 stále více v experimentech na urychlovačích v USA a později i v Evropském středisku fyziky částic CERN v Ženevě. Počátkem roku 1964, téměř součas-
Prof. RNDr. Jiří Chýla, CSc., (*1948) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývá problematikou silných interakcí a strukturou hadronů. Spolupracuje s experimenty v DESY v Hamburku a v CERN v Ženevě.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 84, duben 2005
225
OD GALAXIÍ K NUKLEONŮM První věc, kterou je užitečné si uvědomit, jsou rozměry zmiňovaných objektů. Fyzikální objekty si můžeme seřadit od těch největších, jimiž se zabývá kosmologie – jež jsou řádově 10 24 metrů (tisíc miliard miliard kilometrů) – až po ty nejmenší, jež měří zhruba miliontinu miliardtiny metru (tj. 10 –15 m) které jsou předmětem zájmu fyziků elementárních částic. Připomeňme, že atomové jádro objevil E. Rutherford se svými asistenty H. Geigerem a E. Marsdenem r. 1911 při studiu rozptylu alfa-částic na terčíku ze zlata a jiných prvků. Základní schéma jeho pokusu (viz obr. níže) se stalo prototypem dalších experimentů, a proto ho připomeneme: Výsledky srážek dvou částic srovnáváme s předpověďmi dosavadní teorie, jež vychází ze známých struktur a zákonitostí, a z případných odchylek usuzujeme na „novou fyziku“, ať tím myslíme nové částice, síly či jevy. Tato strategie zůstává stejná dodnes. Co se ovšem dramaticky změnilo, je velikost a složitost experimentálních aparatur. Zařízení, jež použili Geiger a Marsden ve svých měřeních, mělo velikost zhruba 60 cm. Vzdálenost terče (fólie ze zlata) od detektoru (kukátka dlouhého asi 10 cm, s vrstvou sirníku zinečnatého na předním okénku) byla 2,5 cm. Připomeňme ještě obrovský rozdíl mezi velikostí atomových jader a samotných atomů, jenž znamená, že převážná část objemu atomů je prázdná. Tato skutečnost je důsledkem velikosti elektrického náboje, hmotnosti elektronu a charakteru elektromagnetických sil. Ty sice s rostoucí vzdáleností mezi elektricky nabitými částicemi klesají, ale v jistém smyslu „pomalu“. Zcela jiné je rozložení hmoty v atomových jádrech, kde jsou protony a neutrony (společně nazývané „nukleony“) natěsnány vedle sebe, a objem jader je tedy přímo úměrný počtu nukleonů. Tento zásadní rozdíl rozložení hmoty v jádrech od rozložení hmoty v atomech je důsledkem odlišného charakteru sil, které nukleony v jádrech vážou. Tyto síly, zvané „jaderné“, působí totiž jen do vzdálenosti zhruba poloměru protonu a na větších vzdálenostech velmi prudce klesají. �����������
���������������������� ������������� �����
���������� �����
��������������������� ������ �����������
�������� ���� ����� ���������������� ����������������� �����������
������������ �������������������
ně s objevem hyperonu Ω–, navrhli George Zweig a Murray Gell-Mann hypotézu, podle níž je pozorovaná symetrie baryonů a mezonů projevem skutečnosti, že tyto částice jsou složeny z ještě elementárnějších objektů. Zweig je nazval „esa“ a Gell-Mann „kvarky“. Ujal se druhý název, zřejmě proto, že GellGrafické znázornění mechanizmu sil působících mezi dvěma kvarky (nahoře) a dvěma gluony (dole) zprostředkované výměnami osmi barevných gluonů. Při výměnách se obecně mění barva kvarků a gluonů-loděk, ale tak, že při každém aktu „odhození“ gluonu se barva zachovává.
��������
�����
�����
�����
�����
��������
������
226
������
������
Vesmír 84, duben 2005 | http://www.vesmir.cz
������
-Mann byl známější (viz F. Daneš: Tvarohové kvarky?, Vesmír 64, 176, 1985/3). Podle kvarkového modelu se všechny tehdy známé mezony (částice příbuzné pionům) a baryony (částice, jako je nukleon) skládaly ze tří druhů (nazývaných „vůně“ a označovaných u, d, s) kvarků a antikvarků. Kvarky přitom měly spin 1⁄2 a nesly elektrické náboje, jež byly neceločíselnými násobky náboje pozitronu. Baryony byly tvořeny trojicemi kvarků, zatímco mezony páry kvark-antikvark. Tak například proton a neutron měly kvarkové složení jako na obrázku na protější straně dole. Od počátku kvarkového modelu existovaly dva rozdílné přístupy k pojmu „kvark“ a k intepretaci výrazu „složený“, zosobněné samotnými zakladateli. Na jedné straně stál Zweig, který považoval kvarky za fyzikální objekty a pracoval s nimi podobně jako s nukleony v jádře, na druhé straně Gell-Mann, pro nějž byly kvarky primárně matematické objekty, které sice usnadňovaly některé úvahy, ale neměly přímý fyzikální význam, jaký mají například elektrony. Kvarkový model poskytoval jednoduché a přirozené vysvětlení pozorovaných hadronů, ale narážel na dva vážné problémy. Prvním byla skutečnost, že všechny dosud známé částice měly elektrické náboje, které byly celočíselnými násobky elektrického náboje elektronu. Pro to sice neexistoval žádný hlubší teoretický důvod, ale přesto řada fyziků právě kvůli této okolnosti přijímala kvarkový model od počátku s nedůvěrou. A jak selhávaly snahy řady experimentálních skupin najít kvarky jako volné částice, nedůvěra rostla. Druhý vážný problém se týkal kvantitativního popisu některých částic, jako byl například právě již zmíněný hyperon Ω–. Potíž byla v tom, že v kvarkovém modelu se tato částice skládala ze tří s-kvarků, které byly v přesně stejném stavu (všechny spiny orientovány „nahoru“ či „dolů“), což bylo ovšem v rozporu s posvátným Pauliho principem. Bez barvy to nejde
Tento problém byl odstraněn zavedením nového kvantového čísla kvarků, které dostalo název „barva“ a které nabývalo tří různých hodnot. To umožnilo, aby se stavy tří s-kvarků v hyperonu Ω– lišily právě v barvě, a Pauliho princip byl respektován. V optické terminologii odpovídá tento stav „bezbarvé“ kombinaci tří s-kvarků. Rozhodující krok pro budování teorie silných sil mezi kvarky učinil Yoichiro Nambu, který jako první pochopil, že barva neslouží jen pro uspokojení Pauliho principu, ale že hraje dynamickou roli při popisu sil působících mezi kvarky. Nambu předpokládal, že tyto síly jsou zprostředkovány (viz obr. vlevo) výměnou 8 vektorových bosonů, jež se dnes nazývají gluony a hrají podobnou roli jako foton pro elektromagnetické síly (a jako bosony W+, W- a Z pro slabé síly). Gluony jsou přitom samy barevné. Nambuův model poskytoval kvalitativní vysvětlení, proč v přírodě nemohou existovat nejen kvarky samotné, ale ani takové kombinace kvarků a antikvarků, které
jsou barevné. Jinými slovy síly působící mezi barevnými objekty zajišťují, že v přírodě existují jen jejich bezbarvé kombinace. Dnes víme, že Nambuův model měl všechny základní rysy kvantové chromodynamiky. Nebyla to ovšem plnokrevná kvantová teorie pole, nýbrž „jen“ model. Ale ani s ní to Zweig a kvarky neměli lehké
Ani model barevných kvarků nebyl v druhé polovině šedesátých let minulého století všeobecně přijat, neboť teoretické předsudky na jedné straně a neúspěch při hledání kvarků na straně druhé byly pro mnohé fyziky vážnými argumenty pro jejich odmítnutí. K tomu pak ještě přistupovala celková atmosféra nedůvěry ke kvantové teorii pole. Řada fyziků proto odmítala samotnou představu, že by nějaké částice měly být „elementárnější“ než jiné. Tento názor vyústil v doktrínu „jaderné demokracie“, jejímž hlavním obhájcem byl mladý americký teoretik Geoffrey Chew. Tato doktrína hlásala, že všechny mezony a baryony jsou stejně „dobré“, a nemá proto smysl snažit se je chápat jako objekty složené z nějakých menších, „fundamentálnějších“ částeček. Dnes víme, že to byla slepá ulička, ale až do roku 1973 se zdálo, že právě tudy vede cesta k teorii sil mezi mezony a baryony. Řada významných fyziků dokonce považovala kvarkový model za šarlatánství nehodné skutečných vědců. Lidé jako G. Zweig, H. J. Lipkin a pár dalších příznivců kvarkového modelu měli velké problémy, aby vůbec mohli své práce publikovat. Na přelomu šedesátých a sedmdesátých let se zdálo, že kvarkový model je v posledním tažení, neboť se objevily nové experimentální údaje, které naznačovaly vnitřní rozporuplnost jeho samotných základů. Jak ale uvidíme, byla to jen přeháňka, po níž se zase vyjasnilo. Překvapení ze Stanfordu
Data, o nichž jsme se zmínili, byla získána v Stanfordském urychlovačovém centru SLAC, kde byl v roce 1967 uveden do provozu nový, 5 kilometrů dlouhý lineární urychlovač elektronů. Těmito elektrony byly ostřelovány protony a ze srovnání naměřeného úhlového rozdělení rozptýlených elektronů s tehdejšími teoretickými představami činili fyzikové závěry o struktuře protonu. Základní experimentální uspořádání těchto pokusů bylo tedy stejné jako v pokusech E. Rutheforda, H. Geigera a E. Marsdena v roce 1911. To, co v Rutherfordově experimentu měřilo centimetry a vážilo kilogramy, mělo v SLAC metry a tuny. Připomeňme, že od poloviny padesátých let probíhaly v SLAC na starším a menším urychlovači experimenty s pružným rozptylem elektronů na protonech, které ukázaly, že se proton chová jako kulička o poloměru asi 1 femtometru. Překvapení, které přinesly nové experimenty, spočívalo v tom, že „tvrdé“ a nepružné srážky elektronů s protony vypadaly tak, jako by se elektron rozptyloval na téměř volných bo-
dových částicích se spinem 1⁄2, jež Feynman nazval partony. Tento jev – škálování – by sám o sobě nebyl nic divného, pokud by byly ony hypotetické partony uvnitř protonu slabě vázány, a tedy by je bylo možno z protonu vyrazit. Přirozená snaha ztotožnit partony s kvarky narážela proto na problém, že nikdo žádný volný kvark nepozoroval. A právě tento na první pohled nepřekonatelný rozpor mezi dvěma různými experimentálními svědectvími o vlastnostech a chování kvarků představoval skutečný problém. Koncem šedesátých let krize důvěry v kvarkový model i kvantovou teorii pole vyvrcholila a beznaději propadali i jejich nejskalnější příznivci. Jako ilustraci připomeňme slova jednoho z nich, Jamese Bjorkena z podzimu 1967 („elementárními konstituenty“ jsou míněny kvarky): Zdá se, že dosavadní data neukazují na velké hodnoty účinného průřezu, které tento model bodových konstituentů předpovídá. Budou zapotřebí další data k tomu, aby byl model elementárních konstituentů úplně vyvrácen. Jeden z mála, kdo skepsi nepropadal, byl Richard Feynman, skvělý teoretik s mimořádným citem pro konstrukci vhodných modelů. Právě on formuloval základní představu o tom, jak tvrdé srážky elektronů s protony probíhají. Tato představa měla několik slabých míst, ale jak ukázal další vývoj, byla v zásadě správná. Feynmana především neodradila skutečnost, že kvarky v přírodě neexistují jako volné částice. Proces tvrdé srážky elektronu s protonem rozdělil do dvou etap. Během první etapy se elektron pružně rozptýlí na jednom z kvarků, který se po rozptylu po určitou dobu pohybuje, jako by nevěděl, že volný existovat nemůže. Podobně se chová i zbytek protonu, tvořený dvěma zbývajícími kvarky. V této etapě tedy Feynman pracoval s kvarky stejně jako s elektrony a používal i stejný matematický aparát. Etapa srážky trvá do té doby, dokud vzdálenost mezi vyráženým kvarkem a zbytkem protonu nepřekročí zhruba 1 femtometr (tj. 10 –15 metru).
Základní uspořádání experimentu, v němž byly v SLAC rozptylovány elektrony na protonech, bylo obdobné jako v pokusech Ernsta Rutherforda, Hanse Geigera a Ernsta Marsdena v roce 1911. To, co v Rutherfordově experimentu měřilo centimetry a vážilo kilogramy, mělo v SLAC metry a tuny. Snímek z archivu CERN
� ������
�
�
� �
�
�������
http://www.vesmir.cz | Vesmír 84, duben 2005
227
Jakmile vzdálenost mezi vyráženým barevným kvarkem a zbytkem protonu (také barevným) přesáhne zhruba 1 femtometr, charakter sil, které mezi nimi působí, se změní. Místo aby s rostoucí vzdáleností dále klesaly až na nulu, jak tomu bylo u elektromagnetických sil, síly mezi kvarkem a zbytkem protonu zůstávají zhruba konstantní, podobně jako je tomu u natahované pružiny nebo struny. V této analogii můžeme pokračovat, abychom odpověděli na otázku, co se stane se strunou nataženou mezi kvarkem snažícím se uletět a zbytkem protonu. Každá reálná struna může při natahování prasknout, přičemž vzniknou dvě kratší struny, které se mohou dále trhat na ještě menší atd. Podobně při „přetržení“ naší kvarkové struny vznikají kratší a kratší struny, až se jejich délky zmenší přibližně na 1 femtometr, což jsou délky odpovídající baryonům a mezonům. Výsledkem procesu trhání barevné struny mezi vyráženým kvarkem a zbytkem protonu – neboli hadronizace – jsou pak dvě úhlově kolimované spršky částic, které letí zhruba v jejich původních směrech. Tyto spršky, jimž se říká jety, jsou tedy stopami po kvarcích. V dalším výkladu se o nich zmíníme podrobněji a ukážeme, jak vypadají v dnešních detektorech. Skutečnost, že směry a energie jetů dobře odpovídají směrům a energiím původních kvarků, je netriviální vlastnost procesu hadronizace. Výše popsaný model průběhu tvrdých srážek se velmi dobře osvědčil při popisu řady procesů, ale v době, kdy ho Feynman koncem šedesátých let formuloval, se zdál neslučitelný s jakoukoliv kvantovou teorií pole. Vše naopak naznačovalo, že kvantová teorie pole je pro popis sil mezi kvarky zcela nevhodná a je třeba ji nahradit něčím jiným. Kartágo musí být – definitivně – zničeno
) Tématu kalibračních teorií Yanga a Millse se budeme věnovat v samostatném článku.
228
Mezi pochybovače patřil i David Gross, jenž spolu s dalším teoretikem Curtisem Callanem podnikl promyšlený pokus zničit jednou provždy kvantovou teorii pole jako základní nástroj pro popis sil působících mezi kvarky. Sám na to v roce 1992 vzpomínal takto: Zcela cíleně jsem se rozhodl dokázat, že lokální kvantová teorie pole nemůže vysvětlit experimentální fakt škálování, a neposkytuje proto vhodný rámec pro popis silných interakcí. Výsledky experimentů s hlubokým nepružným rozptylem měly tedy definitivně rozhodnout otázku platnosti kvantové teorie pole. Plán útoku měl dvě části. Zaprvé jsem chtěl dokázat, že pro vysvětlení škálování byla nutná ultrafialová stabilita, tj. vymizení efektivní vazbové konstanty silných interakcí na malých vzdálenostech, později nazvaná „asymptotická volnost“. Zadruhé jsem chtěl ukázat, že asymptoticky volné teorie neexistují. Na vysvětlenou k předchozímu citátu dvě poznámky: Hlubokým nepružným rozptylem jsou míněny tvrdé srážky elektronu s protonem, při nichž vzniká typicky mnoho sekundárních částic. Vymizení efektivní vazbové konstanty silných interakcí na malých vzdálenostech se zdálo nutné k tomu, aby bylo možné pochopit jev škálování. Pokud by totiž vazbová konstanta (jíž je míněn efektivní barevný náboj
Vesmír 84, duben 2005 | http://www.vesmir.cz
kvarků) zůstala na malých (ve srovnání s rozměrem protonu, tj. 1 femtometrem) vzdálenostech konečná, nebo dokonce rostla, jak je tomu v kvantové elektrodynamice, muselo by škálování být velmi silně narušeno. Jinými slovy, kvarky by se při rozptylu na elektronech nechovaly jako téměř volné částice se spinem 1⁄2, jak tomu nasvědčoval experiment. Asymptotická volnost byla lákavá i proto, že poskytovala základní rámec pro pochopení neexistence volných kvarků. Růst efektivního barevného náboje na vzdálenostech velkých ve srovnání s poloměrem protonu signalizoval (byť samozřejmě nedokazoval), že se na těchto vzdálenostech mění charakter sil. Místo toho, aby s rostoucí vzdáleností klesaly, jak je tomu v případě sil elektromagnetických, zdálo se možné, že síly působící mezi kvarky jsou na vzdálenostech větších než jeden femtometr zhruba konstantní. V takovém případě by pak nebylo možné kvarky v nukleonech a mezonech od sebe odtrhnout. Problém byl ovšem v tom, že žádná do té doby prozkoumaná kvantová teorie vlastnost asymptotické volnosti neměla. Práce na zničení Kartága postupovaly zdárně a první část plánu byla do konce roku 1972 úspěšně provedena. Bylo jasné, že jen asymptoticky volné kvantové teorie pole mají šanci popsat zdánlivě protichůdné aspekty sil působících mezi kvarky. Kartágo stálo před posledním útokem krvežíznivých teoretiků. Obrácení Šavla
Zbývalo zasadit poslední úder: dokázat, že žádné asymptoticky volné kvantové teorie neexistují. K tomu bylo třeba vyšetřit vlastnosti poslední třídy teorií, která do té doby ještě nebyla podrobně prozkoumána, a tou byly právě neabelovské kalibrační teorie C. N. Yanga a R. Millse.1 Tento úkol zadal na podzim 1972 Gross Franku Wilczekovi, svému jednadvacetiletému doktorandovi. Shodou okolností téměř ve stejnou dobu dostal jen o rok starší David Politzer od svého školitele úkol, jenž měl s Grossovým programem důležitý styčný bod. Tito dva mladíci pak během půl roku ukázali, že se David Gross mýlil a že neabelovské kalibrační teorie jsou (za určitých okolností) asymptoticky volné! D. Gross na tento okamžik vzpomíná slovy: Pro mne byl objev asymptotické volnosti zcela neočekávaný. Tak jako ateista, jenž právě přijal poselství z hořícího keře, jsem se stal okamžitě věřícím. Teorie pole nebyla chybná, ale škálování lze vysvětlit v rámci asymptoticky volné teorie silných interakcí. Ještě lepším přirovnáním zásadního obratu v postoji Davida Grosse ke kvantové teorii pole, než je narážka na epizodu z druhé knihy Mojžíšovy, je příběh obrácení Šavla na Pavla. Šavel z Tarsu v Anatolii byl horlivý student judaizmu, jenž byl přítomen kamenování svatého Štěpána. Jeho modlitba ho obrátila na víru. Stalo se to tak, že při cestě pouští srazil blesk Šavla z koně a oslepil ho. Hlas z nebes se ho tázal: Šavle, Šavle, proč mne pronásleduješ? a na Šavlovu otázku Pane, co mám činiti? odpověděl: Jdi do Damašku a tam se dozvíš, co máš činiti. Šavel tak učinil, v Damaš-
ku ho jeden z Kristových učedníků uzdravil, Šavel byl pokřtěn a stal se z něj apoštol národů Pavel. K přerodu Šavla na Pavla došlo přitom naráz, Šavel ani na chvilku nezaváhal, zda má hlas z nebes uposlechnout. A podobně tomu bylo, jak nám říká předchozí citát, také v případě přerodu Davida Grosse. Otevřeně přiznává – což slouží k jeho cti – že na existenci asymptoticky volných teorií nevěřil, intuice ho v tomto případě zradila. Sága objevu asymptotické volnosti má i další zajímavé okolnosti. Jak jsme se již zmínili, výpočty, jež vedly k jejímu objevu, probíhaly současně ve dvou institucích na východním pobřeží USA: Gross a Wilczek pracovali na Princetonské univerzitě, jež není daleko od Harvardovy univerzity, kde se stejným problémem zápolil osamocený mladičký Politzer. Jeho výkon je ještě obdivuhodnější, jestliže si uvědomíme, že sám řešil problém, kterým se zabýval jeho vrstevník pod vedením zkušeného školitele. Práce obsahující objev asymptotické volnosti dorazily do časopisu Physical Review Letters v rozpětí šesti dnů a byly publikovány za sebou v jednom čísle. Druhou pozoruhodnou okolnost zmíním na konci článku. Asymptotická volnost: podstata a projevy
Jen pár týdnů po objevu třídy asymptoticky volných kvantových teorií pole Gross s Wilczekem a D. Politzer s H. Georgim publikovali práce, v nichž je podrobně rozpracována jedna z nich: kvantová chromodynamika. Tato teorie silných sil mezi barevnými kvarky navázala na základní pojmy kvarkového modelu, tak jak ho formulovali G. Zweig a Y. Nambu v letech 1964–1965; v něm hrála barva klíčovou dynamickou roli. Asymptotická volnost v tomto případě znamená, že efektivní „barevný náboj“, tj. veličina, která charakterizuje silové působení mezi kvarky, při zmenšující se vzdálenosti mezi kvarky neroste, jako je tomu v kvantové elektrodynamice, ale klesá! Jinými slovy, v kvantové chromodynamice vakuum neodstiňuje vložený barevný náboj, ale naopak ho zesiluje. V limitě nekonečně malých vzdáleností se vložený „holý“ barevný náboj blíží nule. Tento jev, který můžeme nazvat antistínění, byl na základě dřívějších zkušeností v kvantové teorii pole naprosto neočekávaný. Situace je tedy zcela opačná než v kvantové elektrodynamice. Protože pokles efektivního barevného náboje s klesající vzdáleností je základním rysem kvantové chromodynamiky, bylo jeho experimentální potvrzení od poloviny sedmdesátých let prvořadým úkolem mnoha experimentů. Připomeňme, že Nobelova cena se v oblasti teorie uděluje jen za výsledky, které byly experimentálně jednoznačně potvrzeny. Měření ze Stanfordu a z dalších experimentů v CERN a DESY ovšem nepředstavují jediné potvrzení správnosti kvantové chromodynamiky. Těch dnes existuje velmi mnoho. Značná část se přitom týká pojmu „jet“, jehož jsme se již dotkli v souvislosti s Feynmanovou představou o průběhu tvrdých srážek
elektronů s protony. Jetům se věnoval i Frank Wilczek v přednášce v Karolinu, při které mj. zmínil nejjednodušší možný proces, v němž se jety produkují, tj. anihilaci elektronu a pozitronu. Při ní vznikají dva nebo i více jetů. Produkce dvojice jetů a páru mionů µ+µ- je podobná (viz horní část obr. dole). Zatímco vznikající miony a antimiony můžeme přímo vidět, po páru kvark-antikvark vidíme jen stopy, jimiž jsou právě jety: úhlově kolimované spršky „běžných“ částic, jako jsou různé mezony a baryony. Záznam průchodu mionů a jetů detektorem lze rekonstruovat na počítači (viz obr. na s. 230, zachycující průchod detektorem ALEPH, jenž byl v devadesátých letech umístěn na urychlovači LEP v CERN). I když jety jsou vždy tvořeny více částicemi, můžeme definovat něco jako „osu jetu“, a s jety pak zacházet podobně jako s „běžnými“ částicemi (tedy například měřit úhlová rozdělení apod.).
Frank Wilczek byl vloni v červnu v Praze na konferenci o fyzikálním programu připravovaném pro urychlovač LHC, jenž se v současné době buduje v CERN. Při této příležitosti mu byla udělena medaile Univerzity Karlovy za zásluhy o fyzikální vědy a Frank Wilczek proslovil v Karolinu přednášku, v níž se pojmem asymptotické volnosti a jejími projevy zabýval. Na snímku Wilczek vlevo, vpravo děkan Matematicko-fyzikální fakulty UK Ivo Netuka. Snímek © Miroslav Finger
�������������� ����� �� ��
����
����
�� ��
� ����
���
Obrázek produkce mionů a jetů z přednášky F. Wilczeka
http://www.vesmir.cz | Vesmír 84, duben 2005
229
hánění lze říci, že kvantitativní porozumění mechanizmu produkce jetů je předpokladem úspěchu při hledání nových jevů a struktur včetně těch exotických, jako jsou struny či další rozměry prostoru a času. Zvuky ticha
People talking without speaking, people hearing without listening (Lidé, co mluví a nic neříkají, lidé, co slyší, ale neposlouchají) z písně P. Simona Sounds of Silence
Srovnání produkce mionů a jetů ve srážkách elektronů s pozitrony. Záznamy z detektoru ALEPH, zachycující průlet nabitých částic tímto detektorem. Světlý sloupeček mimo tělo detektoru indikuje tok energie v daném směru.
Zkoumání produkce a vlastností jetů tvoří dnes nedílnou součást většiny experimentů a je také předmětem trvajícího zájmu teoretiků. Intuitivní Feynmanova představa o tom, co jet znamená, dostala v kvantové chromodynamice pevný teoretický základ. Bez pře-
230
Vesmír 84, duben 2005 | http://www.vesmir.cz
Příběh objevu asymptotické volnosti má ještě jednu peripetii, o které stojí za to se zmínit, neboť přináší důležité poučení. Gross, Wilczek a Politzer nebyli ve skutečnosti první, kdo na jev antistínění narazil – úmyslně neříkám „kdo jej objevil“. Tím byl další mladík, Gerard ‘t Hooft z Utrechtu. Ten, rovněž v rámci své doktorské dizertace, dokázal ve spolupráci se svým školitelem Martinusem Veltmanem matematickou konzistenci teorie slabých sil, za což byli oba po zásluze oceněni Nobelovou cenou za fyziku r. 1999. Podstatnou součástí jeho práce byl rozvoj jisté techniky výpočtů, kterou ve svých pracích použili Gross, Wilczek a Politzer. Také ‘t Hooft se zabýval vlastnostmi třídy teorií, které měli naši tři hrdinové na mušce, a není proto příliš překvapivé, že při svých výpočtech dospěl k stejným výsledkům jako později oni. Výraz, jenž tento výsledek obsahoval, dokonce napsal na tabuli v diskusi na malé konferenci v Marseille v červnu 1972, zhruba 9 měsíců před pracemi Grosse, Wilczeka a Politzera. Sám mu však velký význam zjevně nepřikládal. Ten ovšem dobře chápal Kurt Symanzik, zkušený teoretik, jenž byl diskusi přítomen. I když ‘t Hooftovu výsledku příliš nevěřil – ani on si antistínění nedovedl v kvantové teorii pole představit – bylo mu jasné, co by to pro teorii sil mezi kvarky a možnost pochopit experimentální data znamenalo. Nad ‘t Hooftovým vzorcem sice pochybovačně kroutil hlavou, ale mladému Gerardovi poradil: „Jestli je to pravda, je to velmi důležité a měl byste to rychle publikovat, nebo to dříve udělá někdo jiný.“ Jeho prorocká slova si ‘t Hooft k srdci nevzal a s Veltmanem dále pracoval na jiném problému. Později toho asi litoval. Tato epizoda ilustruje skutečnost, že nestačí o něčem vědět, je třeba také chápat význam věcí a nenechávat si je pro sebe. Je proto smutné a ‘t Hooftovy osobnosti nedůstojné, když dnes tvrdí, že již v roce 1972 věděl, že neabelovské kalibrační teorie mohou být asymptoticky volné, a nehovořil o tom jen proto, že podle jeho předpokladu to „experti“ věděli také. Myslím, že se výbor Nobelovy nadace rozhodl správně, jestliže letošní cenu za fyziku udělil za objev asymptotické volnosti – a udělil ji právě Grossovi, Wilczekovi a Politzerovi. Pokud si ji ještě někdo zasloužil – za příspěvek k teorii sil mezi kvarky, resp. širší rámec, do něhož tento objev zapadá – je to podle mého názoru právě Yoichiro Nambu. Ö
