V tomto roce dosáhl urychlovač LHC největší integrální luminositu za celou dobu svého provozování (zdroj CERN).

Využívání urychlovače LHC je rozděleno na periody experimentování, kdy je urychlovač, kromě kratší přestávky na koci roku, v provozu. Označují se jako RUN a jsou od sebe odděleny delšími, několikaletými přestávkami určenými pro údržbu a vylepšování urychlovače a jednotlivých experimentálních sestav. Současná třetí perioda provozování je označována jako RUN 3 a začala v dubnu 2022. Dne 8. prosince bylo ukončeno letošní provozování urychlovače, posledních 21 dní byly urychlovány svazky olova a studovala se velmi horká a hustá jaderná hmota.

Celý RUN 3 pak skončí v červnu 2026. Po vylepšení urychlovače a experimentálních sestav bylo při periodě RUN 3 dosažena nejvyšší energie dostupná v těžišti 13,6 TeV, energie urychlených a srážejících se protonů je 7,3 TeV. Zároveň se zásadním způsobem podařilo zvýšit intenzitu svazku, a hlavně počty srážek. Podrobnější časový plán využívání urychlovače LHC v minulosti i budoucnu je popsán v nedávném článku o cestě k jeho následovníku. Následující podrobnější popis veličiny popisující intenzitu svazku a dosažené počty srážek lze přeskočit.

Urychlovač LHC dokončuje RUN 3 (zdroj CERN)

Dosažené integrální luminosity v jednotlivých letech provozu LHC

Intenzitu svazku urychlovače popisuje veličina luminosita, která udává počet částic svazku na jednotku plochy a času. V případě srážeče, kdy se srážejí dva proti sobě letící svazky, jde o součin počtu částic jednotlivých svazků prolétajících jednotkovou plochou ve srážkové oblasti vynásobený počtem obletů svazků za jednotku času. Tato veličina charakterizuje dosažitelný počet srážek, čím vyšší je luminosita, tím vyšší je i dosažitelný počet srážek. Luminositu lze zvyšovat navyšováním počtu částic ve svazku nebo zmenšováním průřezu svazků, proto se v místě srážky pomocí magnetického pole významně zmenšuje průměr svazku.

Celkový počet realizovaných srážek je charakterizován integrální luminositou, ta je součinem luminosity a času, po který s ní urychlovač pracoval. Jednotkou této veličiny je inverzní jednotková plocha. Pravděpodobnost jaderných reakcí popisuje veličina účinný průřez. Její jednotkou je jednotka plochy. Součin integrální luminosity a účinného průřezu udává pravděpodobnost daného procesu, třeba produkce nové částice, během daného provozu urychlovače, kdy se dosáhlo dané integrální luminosity. Podrobněji jsem o těchto veličinách psal dřívějších článcích pro Osla (zde a zde).

Graf 1) Integrální luminosita dosažená v jednotlivých letech provozu urychlovače LHC (zdroj CERN)

Účinné průřezy se vyjadřují v jednotkách barn [b], který má velikost 10^-28 m². Jde zhruba o velikost geometrického průřezu atomového jádra, které má průměr v řádu 10^-14 m. Je tak užitečné vyjadřovat integrální luminositu v inversních barnech. V takovém případě se pro integrální luminositu v řádu jednotek nebo desítek inverzích barnů produkují jednotky až desítky případů událostí, které mají pravděpodobnost (účinný průřez) v jednotkách barnů.

Jak je vidět na Grafu 1, dosahují v současné periodě experimentování RUN3 integrální luminosity hodnot až stovky inversních femtobarnů (fb = 10^-15 b). Můžeme tak pozorovat reakce, které mají účinné průřezy v řádu femtobarnů a s jistým zjednodušením lze říci, že jejich pravděpodobnost realizace na urychlovači LHC je o patnáct řádů menší než realizace prosté srážky protonů. Z Grafu 1 je také vidět, že v letech 2024 a 2025 s podařilo dosáhnout nejvyšších hodnot integrální luminosity. Letos byla hodnota 125 fb^-1, což je absolutní rekord. To umožňuje studovat velmi vzácné jevy. Za celou dobu provozu se už podařilo nasbírat integrální luminositu 500 fb^-1.

Je třeba zdůraznit, že analýza získaných dat není jednoduchá a zabere čas, zvláště, pokud je potřeba hledat vzácný jev na komplikovaném pozadí. Proto se stále publikuje řada výsledků získaných z RUN 2 a zatím jen některé z části dat z RUN 3.

Pozorovaný kandidát na rozpad Higgsova bosonu na pár min a antimion, jejich dráhy jsou zobrazeny červenými čarami (zdroj ATLAS, CERN).

Rozpad Higgsova bosonu na pár mion a antimion

Dosažená vysoká integrální luminosita LHC během RUN 2 a 3 umožňují studovat extrémně málo pravděpodobné události. Mezi ně patří i rozpad Higgsova bosonu na pár mion a antimion, který je velmi vzácný. Experimenty ATLAS a CMS využívající urychlovač LHC už v roce 2012 potvrdily existenci Higgsova bosonu. Od té doby se podařil pozorovat celou řadu kanálů rozpadu této částice. Hlavně ty s vysokou pravděpodobností nebo ty, které se snadno pozorují a neztrácejí se v pozadí jiných částic vznikajících při srážkách na LHC. Pro ty vzácnější byla potřeba daleko větší statistika produkce Higgsova bosonu.

A k tomu pomohla zvýšená energie srážek protonů, čím je vyšší energie dostupná pro produkci částic, tím je vyšší i jejich počet. Ještě důležitější je však růst dosahované integrální luminosity.

Higgsův boson je projevem Higgsova pole (interakce), jehož existence je potřeba pro vysvětlení chování elektroslabé interakce. Interakce s Higgsovým polem zvyšuje hmotnosti částic a síla interakce částice s Higgsovým polem určuje její hmotnost. Síla této interakce tak určuje i pravděpodobnost rozpadu Higgsova bosonu na dané částice. Závislost je trochu složitější, protože při stejné síle interakce částice z Higgsovým polem by pravděpodobnost jeho rozpadu na těžší částice byla menší.

Graf 2) Závislost síly interakce částice s Higgsovým polem na hmotnosti částice v log-log měřítku. Body s nejistotami jsou experimentální hodnoty a přerušovaná čára ukazuje předpověď Standardního modelu hmoty a interakcí. V dolní části je ukázán poměr mezi experimentální hodnotou a předpovědí Standardního modelu (zdroj JHEP01(2021)148)

Silná interakce částice s Higgsovým polem vede i k větší pravděpodobnosti společné produkce Higgsova bosonu a dané částice. Pozorování rozpadu Higgsova bosonu na dané částice a společná jejich produkce nám tak umožňuje určit tuto interakci. Závislost této interakce částice s Higgsovým polem na její hmotností je velmi silná a přesně ji popisuje Standardní model hmoty a interakcí. Při správném škálování je v logaritmickém grafu (viz Graf 2) lineární.

Zatím tak byly pozorovány jevy související s interakcí částic s Higgsovým polem pro těžké bosony slabé interakce W⁺, W^- i Z a nejtěžší třetí generaci kvarků a nabitých leptonů, tedy t a b kvark i tau lepton. V nedávném článku publikoval experiment ATLAS výsledky analýzy dat z RUN 3 studující rozpad Higgsova bosonu na dvojici mion a antimion, tedy na nabité leptony patřící do lehčí druhé generace kvarků a leptonů. Připomeňme, že zatímco hmotnost tau leptonu je 1777 MeV/c², což je zhruba dvojnásobek hmotnosti protonu, je hmotnost mí leptonu pouhých 105 MeV/c², což je o něco více než desetina hmotnosti protonu.

Náznaky existence rozpadu Higgsova bosonu na pár mionu a antimionu se získaly už ze zpracování dat RUN 2. A to u experimentu ATLAS i CMS, výsledky CMS jsou popsány v článku z roku 2021, zde byla integrální luminosita 135 fb^-1. U nich však byl signál nad pozadím menší než statistické 3 sigma (standardní odchylky). O tomto měření jsem psal už v přehledu zajímavých výsledků LHC dosažených před zahájením periody experimentování RUN 3.

Graf 3) Graf invariantní hmotnosti párů mion a antimion. Je vidět, že zde dominuje pozadí. Malý pík v místě hmotnosti Higgsova bosonu se objevuje pouze pro odečtení pozadí (zdroj Phys. Rev. Lett 135(2025)231802)

Nová analýza experimentu ATLAS z dat RUN 3 statistiku zvýšila, v ní jde o integrální luminositu 165 fb^-1, díky vyšší energii byla navíc pravděpodobnost produkce Higgsova bosonu v každé srážce o něco vyšší. Signál rozpadu Higgsova bosonu na dva miony tak má hodnotu větší než statistické 3 sigma. Připomeňme, že rozpad Higgsova bosonu lze identifikovat pomocí invariantní hmotnosti. Pokud změříme energie a hybnosti dceřiných částic, v našem případě mionu a antimionu, v rozpadu, můžeme určit pomocí speciální teorie relativity hmotnost primární částice, tedy u nás Higgsova bosonu. Miony a antmiony však mohou vznikat i v jiných procesech. U nesprávné dvojice však dostaneme náhodnou hodnotu invariantní hmotnosti a vzniká pozadí, ve kterém se může ztratit pík z rozpadu Higgsova bosonu s hmotností 125,3 GeV/c². Na Grafu 3 je vidět, že pozadí je opravdu značné a pík způsobený rozpadem Higgsova bosonu se objeví až po odečtení pozadí a pečlivé analýze. Další zpřesnění přináší společná analýza dat z RUN 2 a RUN 3. Výsledky všech analýz plně odpovídají předpovědím Standardního modelu.

Po dokončení nabírání dat RUN 3 a jejich komplexní analýze bude statistika více než dvojnásobná. Lze tak očekávat, že pak už bude vše statisticky plně mimo pochybnost. Zároveň bude snaha pozorovat intenzitu interakce s Higgsovým polem i pro další lehké částice.

Kandidát na rozpad Higgsva bosonu na Z boson a foton. Z boson se následně rozpadne na pár elektron a pozitron (zdroj ATLAS CERN).

Hledají se i další vzácné rozpady Higgsova bosonu. Jedním z nich je rozpad na Z boson a foton. V tomto případě nová větší statistika dat z RUN 2 a RUN 3 snížila pozorovaný signál pod hranici tří standardních odchylek. V předchozích analýzách s menší statistkou se signál jevil tři standardní odchylky překračovat. Zde tak lze konstatovat, že se zatím rozpad Higgsova bosonu na Z boson a foton pozorovat nepodařilo. Je třeba statistiku ještě zvýšit.

Pozorování společné produkce jednoho kvarku t a W a Z bosonů

Dalším velice vzácným procesem je společná produkce jednoho kvarku t a bosonu W a Z (tWZ produkce). Obvykle dochází k produkci nových kvarků (částic) v podobě částice a antičástice, Tedy společná produkce kvarků t a anti-t. Společná produkce samotného kvarku t a W a Z bosonů může probíhat pouze přes slabou interakci (mění se jeden kvark na jiný) a jde o proces velmi silně potlačený a citlivý na Feynmanovy diagramy vyššího řádu.

Příkladem takové produkce může být srážka b kvarku s gluonem zobrazena na Feynmanově diagramu na Grafu 4. Slabá interakce umožňuje přeměnit b kvark na t kvark a produkci W a Z bosonů. Může vzniknout otázka, kde se berou kvark b a gluon, když se srážejí protony? Je to dáno tím, že při energiích (hybnostech) protonů na urychlovači LHC je de Broglieho vlnová délka jeho konstituentů o řády menší, než je rozměr protonu. Nesrážejí se tak protony, ale jejich konstituenty. Těmi jsou nejen tři tzv. konstituentní kvarky, ale velmi energetické vakuum silné interakce, které je naplněno velkým počtem dvojic virtuálních kvarků a antikvarků všech možných druhů a také virtuálními gluony. A ty se mohou také srážet.

Graf 4) Feynmanův diagram produkce t kvarku a W- a Z bosonů při srážce b kvarku a gluonu (zdroj arXiv:2510.19080)

Proces s významným podílem Feynmanových diagramů vyššího řádu tak může být velmi citlivý i k diagramům obsahujícím zatím hypotetické částice exotické fyziky za standardním modelem. Tyto částice kvůli jejich velké hmotnosti nemůžeme produkovat, ale jejich vliv, a tím i jejich vlastnosti, se projeví v pravděpodobnostech těchto vzácných procesů. Rozdíl mezi experimentální pravděpodobností a tou vypočtenou pomocí Standardního modelu pak ukazuje na příspěvek exotické fyziky.

Zároveň jsou t kvark a Z a W bosony velmi těžké částice silně interagující s Higgsovým polem a proces je tak velmi důležitým nástrojem pro jeho studium a testy vlastností elekroslabých interakcí.

Jeden z kandidátů na tWZ produkci na experimentu CMS. V daném případě se t kvark rozpadl na W boson a b kvark. W boson se následně přeměnil na dva výtrysky a b kvark na jeden výtrysk. Výtrysky jsou zobrazeny jako žluté kužele. Původní W boson se rozpadl na mion a neutrino (není vidět). Z boson se rozpadl na pár mion a antimion. Miony jsou zobrazeny jako červené čáry. (Zdroj CERN).

Velkým problémem je identifikovat tyto případy na pozadí daleko častějších podobných případů. Jedním z nich je společná produkce t, anti-t a Z (ttZ produkce). Ta je sedmkrát častější a vytváří tak silné pozadí, ze kterého je třeba případy tWZ produkce přímo vydolovat. Situace je těžká i proto, že t kvark, Z A W bosony žijí natolik krátce, že v detektorech můžeme pozorovat pouze sekundární částice vzniklé v jejich různých rozpadech. V takových případech významně pomáhá využití neurosítí a umělé inteligence.

Díky komplexní analýze se poprvé podařilo určit pravděpodobnost této produkce s využitím dat RUN 2 a části dat z RUN 3. Ta je zhruba taková, že pro realizaci takového případu potřebujete zhruba bilion srážek. Výsledek sice mírně převyšuje předpověď Standardního modelu, ale je to v mezích experimentálních nejistot. Jde o potvrzení jednoho z nejvzácnějších dosud na LHC pozorovaných procesů.

Otevřená detektorová sestava CMS (zdroj CERN).

Pozorování nových zatím nejtěžších tetrakvarků složených čistě s c kvarků

Jeden z největších objevu LHC je konečné potvrzení existence tetrakavarků a pentakvarků. Připomeňme si, o jaké částice jde. Částice, které interagují silnou interakcí, se označují jako hadrony. Jde o částice složené z kvarků. Největší počet nově objevených částic na LHC jsou právě hadrony, těch poprvé pozorovaných experimenty tohoto urychlovače je již k osmdesáti. Silná interakce má náboj, který se označuje jak barva. Máme dva druhy elektrického náboje, kladný a záporný. Pomocí kombinace kladných a záporných nábojů stejné velikosti lze vytvořit neutrální systém. Mohou být tři různé náboje silné interakce označované jak barvy, a ještě odpovídající antibarvy. V našem normálním světě nemohou existovat volné kvarky, ale pouze vázané v bezbarvých (neutrálních) systémech z pohledu silné interakce.

A takovými systémy jsou právě hadrony. Těmi nejběžnějšími jsou baryony a mezony. Baryony, například proton a neutron, jsou složeny ze tří kvarků různé barvy, což dohromady tvoří neutrální systém. Antibaryony jsou složeny ze tří antikvarků. Mezony jsou složeny z kvarku a antikvarku, barva a odpovídající antibarva tvoří také neutrální systém.

Analýza dat z RUN 2 u experimentu CMS ukázala, že průběh rozpadu trojice tetrakvarků c, c, ant-c, anti-c ukazuje na silně vázaný systém čtveřice kvarků (zdroj CERN).

Neutrální systém z hlediska barvy však může být i systém se dvěma dvojicemi kvark a antikvark (tetrakvark – dohromady čtyři kvarky), systém složený ze tří kvarků a dvojice kvark a antikvark (pentakvark – dohromady pět kvarků) nebo dvě trojice kvarků (hexakvark – dohromady šest kvarků). Podrobněji o tom, jak se vyznat v přehršli různých částic, se lze dočíst ve stejnojmenném článku na Oslovi.

A právě LHC poprvé spolehlivě prokázal existenci takových složitějších hadronů. Podařilo se mu pozorovat tetrakvarky a pentakvarky. Otázkou, kterou se však zatím zodpovědět nepodařilo, však je, jak přesně jsou tyto systémy vázány dohromady. Jestli jde u tetrakvarku více o dvojici mezonů vázanou silnou jadernou silou (výměnou mezonů) nebo reálnou čtveřici kvarků vázanou silnou interakcí (výměnou gluonů), u pentakvarku pak může jít o silně vázaný baryon a mezon nebo pětici silně vázaných kvarků.

Pomoci vyřešit tuto otázku by mohl triplet těch nejtěžších zatím pozorovaných tetrakvarků, jejichž přesné kvantové charakteristiky se podařilo určit experimentu CMS. Jednalo se o tetrakvarky složené ze dvou dvojic c a anti-c kvarků. Kvark c je čtvrtý v pořadí i podle hmotnosti. Doposud se dařilo objevovat tetrakvarky složené z jedné dvojice c a anti-c, druhá dvojice pak byla z lehčího kvarku a antikvarku.

Graf 5) Invariantní hmotnost dvou dvojic mionu a antmionu. Její komplexní analýzou byly získány hmotnosti a šířky daných rezonancí (částic). V grafu jsou ukázány tetrakvarky samostatně i trojice jako celek ovlivněná kvantově mechanickou interferencí (signal), zobrazeno je i pozadí z jiných zdrojů J/ψ mezonu (zdroj Nature 648 (2025) 58–63)

Nově objevené tetrakvarky jsou tak těmi nejtěžší. Označení nových hadronů X(6600), X(6900) a X(7100) obsahuje i hmotnosti vyjádřené v jednotkách MeV/c². Je vidět, že mají hmotnost zhruba sedmkrát větší, než má proton. Ten prostřední byl objeven už v roce 2019 experimentem LHCb a psalo se o něm už ve zmíněném přehledu výsledků LHC na Oslovi z roku 2021. Později byla jeho existence potvrzena i experimenty ATLAS a CMS.

Mezon složený z kvarků c a anti-c se označuje jako J/ψ mezon. Zmíněná trojice tetrakvarků tak může být i systém těsně vázané dvojice J/ψ mezonů. Částice byly identifikovány v rozpadech na dvojici J/ψ mezonů, které se následně rozpadly na dvojici mion a antimion. Na konci tak máme dva miny a dva antimiony.

Speciální teorie relativity umožňuje pomocí naměřených energií a vektorů hybnosti dceřiných částic určit klidovou hmotnost mateřské částice. Tedy v případě, že jsou to opravdu sekundární částice z rozpadu dané primární částice. Ovšem stejné částice mohou vznikat i v jiných procesech. Vytváří se tak pozadí v grafu invariantní hmotnosti spočtené z čtveřice mionů, viz Graf 5. Zde je možné využít i testování, zda invariantní hmotnost dvojic mionu a antimionu odpovídá hmotnosti J/ψ mezonu. Analýza je velmi náročná, takže současný výsledek je zatím stále pouze z dat RUN 2.

Pomocí konkrétního průběhu rozpadu bylo možné určit spin, paritu a nábojovou paritu nově pozorovaných tetrakvarků. Jednalo se určení polarizace J/ψ mezonů, které se promítly do úhlového rozdělení mionů z jejich rozpadu. Parita určuje, jak se chová vlnová funkce popisující částici při zrcadlení, nábojová parita pak chování při záměně částice za antičástici. Výsledné hodnoty ukazují na spin 2 a pro obě parity +. To dává striktní omezení na orbitální momenty systému a jeho konfiguraci. Významně se tak preferuje varianta silně vázané čtveřice kvarků oproti možnosti systému slaběji vázané dvojice J/ψ mezonů.

Průběh rozpadu tetrakvarku se liší pro dva různé modely struktury, dvoumezonové nebo čtyřkvarkové (zdroj Nature 648 (2025) 58–63)

Pozorování narušení CP symetrie v rozpadu zatím nejtěžší částice

Velmi zajímavé je další pozorování narušení CP symetrie. Připomeňme, že zde se porovnávají fyzikální zákonitosti v stuac, že zaměníme částice za antičástice a antičástice za částice a zároveň provedeme zrcadlení. Pokud platí CP symetrie, měly by všechny fyzikální procesy, například rozpady částic, různé produkce částic či reakce probíhat po takové transformaci stejně. Podrobněji jsou různé symetrie ve světě částic popsány v dávnějším článku na Oslovi.

Experiment LHCb se zaměřuje na částice s pátým nejtěžším kvarkem b (zdroj CERN)

Poprvé bylo narušení CP symetrie pozorováno v rozpadu neutrálních podivných mezonů K0. Experiment LHCb je zaměřený na pozorování narušení CP symetrie u těžších částic obsahujících pátý nejtěžší kvark b. Pozorování rozpadů B0 mezonů prokázalo, že u nich je narušení ještě větší než u K0 mezonů. V první polovině roku 2025 byla publikována práce experimentu LHCb věnovaná pozorování narušení CP symetrie u baryonu, a to velmi těžké částice Λ_b, jejíž kvarkové složení je u,d,b. Porovnávaly se rozpady Λ_b a anti- Λ_b. Baryon Λ_b se rozpadá na proton, záporně nabitý mezon K a pár opačně nabitých mezonů pi. Baryon anti-Λ_b se rozpadá na antiproton, kladně nabitý mezon K a pár opačně nabitých mezonů pi. Byl zaznamenán rozdíl v pravděpodobností rozpadů do tohoto kanálu u částice a antičástice 2,45 % s nejistotou 0,45 %.

Důležitost těchto měření spočívá v tom, že narušení CP symetrie a jeho dostatečná velikost je klíčová pro ustavení baryonové asymetrie (převaha hmoty nad antihmotou) na počátku našeho vesmíru, která zajistí, aby v něm po prvotní anihilaci zůstalo dost hmoty. Narušení CP symetrie ve Standardním modelu je příliš malé, a to řádově. Experiment by měl přinést lepší pochopení situace, případně uvidět rozdíl od Standardního modelu způsobený exotickou fyzikou za ním.

Závěr

V příštím roce by se měl po delší technické přestávce urychlovač rozběhnut v březnu a RUN 3 bude ukončen v červnu 2026. Pak začne dlouhodobé odstavení s intenzivní rekonstrukcí a vylepšováním urychlovače, které by mělo dramaticky zvýšit jeho luminositu, a to na pětinásobek současných možností. HL-LHC (High Luminsity LHC) by se měl rozběhnout v roce 2030. Zároveň by se v následujících pár letech mělo rozhodnout, kde se bude stavět následník urychlovače LHC. Kromě laboratoře CERN je žhavým kandidátem Čína, jak je podrobně popsáno v dřívějším článku.

Během období, kdy bude urychlovač stát, se postupně zpracují i data z RUN 3. Podaří se realizovat stále komplexnější analýzy i velmi složitých procesů s velkým počtem sekundárních částic. Zde je obrovským přínosem rostoucího využívání neurosítí a umělé inteligence, které dramaticky zrychluje analýzu i velmi složitých procesů. Dočkáme se tak dalších nových hadronů a měla by se s konečnou platností rozhodnout otázka struktury tetrakvarků a pentakvarků. Bude možné zpřesnit hodnotu pravděpodobnosti rozpadu Higgsova bosonu na pár mion a antimion a možná i ještě lehčí částice. Bude možné identifikovat ještě vzácnější typy produkce či rozpadu s větší šancí objevit známky exotické fyziky za Standardním modelem hmoty a interakcí, která nám stále uniká. všem to není vůbec jisté, současná teorie struktury hmoty popisuje svět částic extrémně přesně.

Video o symetriích v jaderné a částicové fyzice, a jak říct mimozemšťanovi co je levá ruka a kladný náboj: