Co się kryje za symetryczną strukturą

     Model standardowy w fizyce jest znakomitym narzędziem porządkującym naszą wiedzę, ale słabo daje sobie radę z pytaniem "dlaczego"

     Polscy fizycy biorą udział w budowie gigantycznego akceleratora w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą. Podziemny tunel o obwodzie 27 km posłuży do rozpędzania i zderzania cząsteczek. Prowadzone w CERN eksperymenty mają przynieść odpowiedź na pytanie o spójność tzw. modelu standardowego oraz pozwolą zobaczyć i przeanalizować zjawiska dotąd jedynie przewidywane przez teoretyków.

     W eksperymentach przy akceleratorze LHC (ang. Large Hadron Collider) biorą udział kilkunastoosobowe grupy fizyków z Akademii Górniczo-Hutniczej, Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie oraz Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku, Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Fizyki i Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej. Grupy te odpowiedzialne są za zaprojektowanie, budowę i oprogramowanie istotnych części detektorów. Polski wkład w eksperymenty LHC był tematem sympozjum, które odbyło się 15 - 16 stycznia na Wydziale Fizyki UW. Większość projektów jest obecnie w fazie testowania prototypów.

     Dyskusję na sympozjum zdominował jednak temat łączy internetowych. Olbrzymie ilości danych zbieranych podczas eksperymentów stanowią poważne technologiczne wyzwanie. Polscy fizycy już dziś aktywnie włączają się w projekty sieci nowej generacji zwanej GRID. Poważnym utrudnieniem jest jednak zacofana infrastruktura polskich łączy. Przed podobnym problemem w niedługim czasie stanie cała polska nauka, gospodarka, a nawet administracja. Wróćmy jednak do fizyki...

     Cząsteczkowe abecadło

     Fizycy zawsze zadawali sobie pytanie, jaka jest struktura materii i jakie są fundamentalne prawa nią rządzące. Pierwszym przełomem było stwierdzenie, że wszystko, co nas otacza (a także nasze ciała), zbudowane jest z około stu rodzajów podstawowych składników zwanych atomami. Dziś wiemy, że protony i neutrony tworzące jądra atomowe składają się z kwarków, a elektron, wraz z podobnymi do niego, ale cięższymi cząstkami naładowanymi, mionem i tau oraz odpowiadającą im trójką neutrin, należy do rodziny cząstek zwanej leptonami.

     Wiemy też, że cząstki te mogą podlegać oddziaływaniom czterech rodzajów sił. Dobrze rozumiemy oddziaływania elektromagnetyczne cząstek obdarzonych ładunkiem. Kwarki są związane w protonach i neutronach przez tzw. oddziaływania jądrowe silne, przenoszone przez cząstki zwane gluonami. Zarówno kwarki, jak i leptony podlegają oddziaływaniom jądrowym słabym, które odpowiedzialne są na przykład za reakcje jądrowe w gwiazdach. Do tego dochodzi jeszcze grawitacja działająca na wszystkie bez wyjątku ciała, ale zupełnie zaniedbywana na odległościach subatomowych.

     Próby unifikacji

     Niedawno udało się opisać oddziaływania elektromagnetyczne i jądrowe słabe w jednolitej teorii, która została potwierdzona odkryciem bozonów Z0, W+ i W-, będących nośnikami tego zunifikowanego oddziaływania elektrosłabego. Spójny, choć jeszcze niezunifikowany opis oddziaływań jądrowych silnych i elektrosłabych oferuje tzw. model standardowy. Jego przewidywania zostały potwierdzone z dokładnością 0,1 procent.

     Model standardowy ma jednak swoje wady. Nie wyjaśnia, dlaczego masy cząstek elementarnych mają takie, a nie inne wartości. Nie tłumaczy też, dlaczego kwarki i leptony tworzą trzy rodziny o podobnych własnościach, ale różnych masach. Nieco upraszczając, można powiedzieć, że model standardowy jest znakomitym narzędziem porządkującym naszą wiedzę i umożliwiającym dokonywanie precyzyjnych obliczeń, ale słabo daje sobie radę z pytaniem "dlaczego". Przypomina to nieco sytuację z dziewiętnastego wieku, kiedy Mendelejew ułożył pierwiastki na tablicy porządkującej ich własności, ale do czasu odkrycia struktury atomu i praw mechaniki kwantowej nią rządzących pozostawało tajemnicą, dlaczego pierwiastki można ułożyć w taką symetryczną strukturę.

     Gigantyczny zderzacz

     Podobnie i dziś fizycy są niemal pewni, że za symetryczną strukturą modelu standardowego kryje się głębsza, bardziej ogólna teoria. Pretendujące do tej roli teorie przewidują istnienie nowych, cięższych cząstek i odstępstwa od modelu standardowego w obszarze wyższych energii. Aby sprawdzić te przewidywania, w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą budowany jest gigantyczny akcelerator LHC. W kołowym tunelu o obwodzie 27 km będą przyspieszane protony i ciężkie jony do energii 7 teraelektronowoltów (takiej, jaką uzyskałby elektron przyspieszony napięciem 7 bilionów woltów).

     W każdej sekundzie dojdzie średnio do pół miliarda zderzeń biegnących naprzeciw siebie protonów. Cząstki powstałe w wyniku wyzwolonej w ten sposób energii będą rejestrowane przez cztery detektory: Alice, Atlas, CMS i LHCb. Każdy detektor to urządzenie wielkości kilkupiętrowego bloku, naszpikowane nowoczesną elektroniką analizującą 40 tysięcy gigabajtów danych na sekundę. W całość przedsięwzięcia zaangażowanych jest około pięciu tysięcy fizyków z ponad 150 krajów, nie licząc personelu technicznego i pomocniczego.

     Swój wkład w budowę LHC mają również Polacy. Koordynacja rozproszonych baz danych Alice, odporna na promieniowanie elektronika detektora śladowego Atlas, system szybkiego rozpoznawania mionów CMS czy precyzyjne detektory słomkowe LHCb to tylko przykłady zaangażowania polskich fizyków.

     Nie tylko teoria

     Ale wróćmy do pytania, po co to wszystko. Po pierwsze, w trakcie projektowania nowych akceleratorów i detektorów powstają rozwiązania, które natychmiast znajdują zastosowanie w medycynie, kryminalistyce, archeologii itp. Dobry detektor powinien z możliwie dużą dokładnością rejestrować zjawiska, nie zakłócając ich przebiegu. Dokładnie o to samo chodzi w diagnostyce medycznej. Dlatego właśnie CERN stale współpracuje ze Szpitalem Kantonalnym w Genewie, gdzie testuje się zastosowania diagnostyczne opracowanych przez fizyków detektorów. Czułe detektory wykorzystuje się też na przejściach granicznych do kontroli celnej i na lotniskach do kontroli antyterrorystycznej. Akceleratory cząstek są z kolei już rutynowo wykorzystywane m.in. do terapii nowotworowej.

     Wszystko to są jednak swego rodzaju produkty uboczne wielkich eksperymentów. Czy można się spodziewać jakichś korzyści z naukowych odkryć dokonanych w LHC? Z pewnością tak, ale raczej dopiero za wiele lat i nie sposób przewidzieć, czego będą dotyczyły. Skąd więc ta pewność? Kiedy Faraday przedstawiał wyniki swoich zabaw z magnesami i drucikami Królewskiej Akademii Nauk w Londynie, minister skarbu Gladstone zadał mu to samo pytanie. Faraday odpowiedział: "Przyjdzie dzień, kiedy będzie pan ściągał za to podatki".

     Autor, jest doktorem habilitowanym, pracuje w Instytucie Badan Jądrowych w Świerku. Koordynuje prace międzynarodowego zespołu projektującego i budującego system szybkiej detekcji mionów w eksperymencie CMS.

Słowniczek: Bozon - obiekt kwantowy o symetrycznej funkcji falowej, podlega statystyce (rozkładowi) Bosego-Einsteina, ma spin całkowity. Bozonami są pewne cząstki elementarne, jak: kwant promieniowania elektromagnetycznego (foton), bozony pośredniczące W+ W - Z0 i gluony. Fermiony - cząstki lub układy cząstek opisane przez Fermiego i Diraca: elektrony, neutrina, nukleony, hiperony, jądra atomów o nieparzystej liczbie nukleonów. Gluon - cząstka elementarna, bozon pośredniczący w oddziaływaniach silnych kwarków. Gluony istnieją w ośmiu stanach ładunkowych (tzw. kolorach). Dotychczas nie zaobserwowano swobodnego gluona (być może jest to niemożliwe), jednak są mocne przesłanki doświadczalne ich istnienia. Nazwa pochodzi od angielskiego słowa "glue" (klej). Kwarki - fundamentalne cząstki elementarne. Są fermionami o spinie 1/2 (w jednostkach stałej Plancka). Istnieje sześć rodzajów kwarków. Leptony - fundamentalne cząstki elementarne, fermiony o spinie 1/2, nieoddziałujące silnie (tj. nie będące hadronami), ale oddziałujące słabo za pośrednictwem bozonów pośredniczących. Mion - nietrwała cząstka elementarna obdarzona ładunkiem elektrycznym, fermion o spinie 1/2. Miony zostały odkryte w 1937 r. w promieniowaniu kosmicznym przez S. Neddermeyera i C. D. Andersona. Są bardzo przenikliwe (nie oddziałują silnie), powstają w górnych warstwach stratosfery, jako istotny składnik wtórnego promieniowania kosmicznego docierają nawet kilkaset metrów pod powierzchnię Ziemi. Model standardowy- nazwa przyjęta dla teorii cząstek elementarnych i ich oddziaływań. Teoria ta jest wszechstronnie testowana i jest powszechnie przyjęta przez fizyków jako poprawna. Neutrino - trwała cząstka elementarna o zerowym ładunku elektrycznym, spinie 1/2. Neutrina istnieją w trzech rodzajach (zapachach): neutrina elektronowe, neutrina mionowe, neutrina taonowe. Neutrina są bardzo przenikliwe, obiekt wielkości Ziemi jest dla nich przezroczysty. Eksperymenty badające własności strumienia neutrin kosmicznych należą do najtrudniejszych przedsięwzięć współczesnej fizyki. Istnienie neutrina przewidział w 1930 r. W. Pauli, doświadczalnie odkryto je w 1956 r. Spin - w mechanice kwantowej tzw. kręt, czyli własny moment pędu cząstki elementarnej, niezwiązany z jej postępowym ruchem. Istnienie spinu zostało potwierdzone doświadczalnie, pojęcie to istnieje w fizyce od 1925 r. Tau - cząstka elementarna (fundamentalna) lepton - razem ze stowarzyszonym z nim neutrinem taonowym tworzy trzecią generację leptonów charakteryzowanych przez niezerową taonową liczbę leptonową. Jest fermionem (spin 1/2 w jednostkach stałej Plancka). Ma elementarny ładunek ujemny.

Autor: GRZEGORZ WROCHNA

Źródło: rp.pl 19.03.2002r.

Powrót do spisu