| Czego się dowiedzieliśmy: akceleratory i postęp w fizyce |
|
|
Czego się dowiedzieliśmy:
akceleratory i postęp w fizyce
|
|
|
| iesz teraz, drogi Czytelniku, wszystko, co powinieneś wiedzieć o akceleratorach, a może nawet więcej. Możliwe, że wiesz więcej niż niejeden teoretyk. To nie złośliwość, tylko stwierdzenie faktu. Ale najważniejsze jest to, co te nowe maszyny powiedziały nam o świecie.
|
| Jak wspomniałem, synchrocyklotrony z lat pięćdziesiątych pozwoliły nam dowiedzieć się wiele o pionach. Teoria Hideki Yukawy sugerowała, że silne oddziaływanie, które wiąże protony z protonami, protony z neutronami i neutrony z neutronami, może powstawać na skutek wymiany cząstki o określonej masie. Yukawa przewidział masę oraz długość życia tej cząstki – pionu.
|
| Masa spoczynkowa pionu wynosi 140 MeV. Maszyny o mocy 400–800 MeV w ośrodkach uniwersyteckich na całym świecie produkowały te cząstki w dużych ilościach. Pion rozpada się na mion i neutrino. Mion – wielka zagadka lat pięćdziesiątych – sprawiał wrażenie cięższej wersji elektronu. Richard Feynman był jednym z wybitniejszych teoretyków, którzy łamali sobie głowę nad dwoma obiektami, które pod wielomi względami zachowują się identycznie, z tą tylko różnicą, że jeden z nich jest 200 razy cięższy od drugiego. Bardzo nam zależy na rozwiązaniu tej zagadki. Wydaje się, że jej rozwiązanie może prowadzić do Boskiej Cząstki.
|
| Następna generacja maszyn sprawiła nam wielką niespodziankę: podczas bombardowania jąder cząstkami o energiach sięgających miliarda elektronowoltów działo się „coś innego”. Powtórzmy sobie przy okazji, co można osiągnąć za pomocą akceleratora, zwłaszcza, że zbliża się termin egzaminu końcowego. W zasadzie współczesne akceleratory i detektory pozwalają nam na dwie rzeczy: rozpraszanie obiektów albo – i to właśnie jest to „coś innego” – produkowanie nowych obiektów.
|
| 1. Rozpraszanie. W eksperymentach rozproszeniowych obserwujemy, w jaki sposób bombardujące cząstki po zderzeniu rozlatują się na wszystkie strony. Technicznym określeniem produktu końcowego takich eksperymentów jest „rozkład kątowy”. Gdy analizuje się takie doświadczenie zgodnie z regułami fizyki kwantowej, możemy się wiele dowiedzieć o jądrze, na którym rozpraszają się przyspieszone cząstki. W miarę wzrostu energii cząstek przybywających z akceleratora coraz wyraźniej ukazuje się struktura jądra. Dzięki temu poznaliśmy części składowe jądra – neutrony i protony – oraz dowiedzieliśmy się, jak są względem siebie ułożone i jak się poruszają, aby zachować ten swój układ przestrzenny. Gdy dalej zwiększamy energię naszych bombardujących protonów, możemy „zajrzeć” do wnętrza protonów i neutronów.
|
| Aby uprościć całą sprawę, możemy w charakterze tarcz używać pojedynczych protonów (jąder wodoru). Dzięki eksperymentom rozproszeniowym poznaliśmy rozmiary protonu oraz dowiedzieliśmy się, jak rozkłada się w nim dodatni ładunek elektryczny. Bystry czytelnik może zapytać, czy sama sonda – cząstka uderzająca w tarczę – nie przyczynia się do ogólnego zamieszania? Odpowiedź brzmi: tak. Dlatego właśnie używamy rozmaitych rodzajów sond. Cząstki a ze źródeł radioaktywnych ustąpiły miejsca protonom i elektronom wystrzeliwanym z akceleratorów, potem zaczęto używać wtórnych cząstek: fotonów pochodzących z elektronów, pionów pochodzących ze zderzeń protonów z jądrami. W miarę jak coraz lepiej opanowywaliśmy tę technikę, w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych w charakterze pocisków zaczęliśmy używać cząstek trzeciej generacji. Sondami stały się miony i neutrina, produkty rozpadu pionów oraz wiele innych rodzajów cząstek.
|
| Laboratorium przeobraziło się w centrum usługowe sprzedające rozmaite produkty. Pod koniec lat osiemdziesiątych dział sprzedaży oferował potencjalnym klientom następujące rodzaje zimnych i gorących wiązek: protony, neutrony, piony, kaony, miony, neutrina, antyprotony, hiperony, spolaryzowane protony (o jednakowym spinie) oraz oznakowane fotony (o znanej energii), a jeśli potrzebne Ci są jakieś inne, wystarczy zamówić!
|
| 2. Produkcja nowych cząstek. Pragniemy się przekonać, czy osiągnięty nowy obszar energii pozwala wytwarzać nowe nie-widziane-dotąd cząstki. Jeśli tak, to chcemy się o tych cząstkach jak najwięcej dowiedzieć: poznać ich masę, ładunek, spin; określić, do której rodziny należą i tak dalej. Ciekawi nas też, jaki jest ich średni czas życia i jak się rozpadają. Oczywiście, musimy im nadać imię i określić, jaką rolę odgrywają w wielkim układzie architektonicznym świata cząstek. Pion odkryto w promieniowaniu kosmicznym, ale szybko się przekonaliśmy, że nie pojawia się w komorze mgłowej ni stąd, ni zowąd w dojrzałej postaci. Życiorys pionu wygląda następująco: protony pochodzące z promieniowania kosmicznego wpadają do ziemskiej atmosfery, gdzie zderzają się z jądrami azotu i tlenu (dziś oprócz tych dwóch pierwiastków mamy też sporo zanieczyszczeń). Na skutek tych zderzeń powstają piony. W trakcie badań nad promieniowaniem kosmicznym zidentyfikowano także parę innych, dziwacznych obiektów, jak na przykład K+, K– i obiekty zwane lambda (oznaczane grecką literą L). Coraz więcej egzotycznych cząstek zaczęło powstawać w latach pięćdziesiątych, gdy pałeczkę przejęły akceleratory o większej mocy. W latach sześćdziesiątych strumyk nowych obiektów przerodził się już w powódź. Ogromne ilości energii dostępnej w zderzeniach pozwoliły na odkrycie nie jednej, pięciu czy dziesięciu, ale całych setek nowych cząstek, o których nawet nie śniło się większości naszych filozofów, Horacjuszu. Odkrycia te były efektem grupowego wysiłku, owocem Wielkiej Nauki i rozwoju nowych technologii i technik w eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych.
|
| Każdemu nowemu obiektowi nadaje się imię, wybierając zazwyczaj jedną z greckich liter. Odkrywcy, zwykle zespół składający się z sześćdziesięciu trzech i połowy naukowca, obwieszcza światu znalezienie nowego obiektu i podaje możliwie najbardziej obszerną listę jego własności – masę, ładunek, spin, średni czas życia i inne liczby kwantowe. Następnie członkowie zespołu piszą jedną lub dwie prace doktorskie i czekają na zaproszenia na seminaria, konferencje i na awans. Przede wszystkim zależy im, by inni potwierdzili ich odkrycie, najlepiej stosując inną technikę, tak aby zminimalizować błędy pomiarowe. Chodzi o to, że każdy akcelerator wraz ze swym detektorem ma tendencję do specyficznego „widzenia” zdarzeń. Realność zdarzenia powinna zatem zostać potwierdzona przez inną parę oczu.
|
| Komora pęcherzykowa świetnie się sprawdziła przy odkrywaniu cząstek, ponieważ można było obserwować i mierzyć wiele szczegółów bliskich spotkań. Eksperymenty, w których brały udział elektroniczne detektory, zazwyczaj miały na celu badanie bardziej specyficznych procesów. Gdy nowa cząstka znajdzie się już w gronie obiektów, których istnienie uda się potwierdzić, nadchodzi czas, by wykonać następny krok. Planuje się konkretne rodzaje zderzeń i projektuje urządzenia, które umożliwiłyby zebranie danych na temat innych jej własności, takich jak średni czas życia – wszystkie nowe cząstki są nietrwałe – i sposobów jej rozpadu. L na przykład rozpada się na proton i pion, S na L i pion i tak dalej. Zestawić tabelę, uporządkować, nie dać się przytłoczyć temu strumieniowi danych – oto wytyczne pozwalające na zachowanie zdrowych zmysłów, podczas gdy subatomowy świat rozrasta się i wykazuje coraz bardziej złożoną strukturę. Wszystkie cząstki nazwane greckimi literami, powstające w wyniku zderzeń z udziałem oddziaływania silnego, określa się mianem hadronów (po grecku hadros oznacza ciężki), a odkryto ich całe setki – dosłownie. Nie tego się spodziewaliśmy. Zamiast jednej, maleńkiej, niepodzielnej cząstki, poszukiwania demokrytejskiego a-tomu dostarczyły nam setek ciężkich i bardzo podzielnych cząstek. Nieszczęście! Od kolegów biologów nauczyliśmy się, co można robić, kiedy zupełnie nie wiadomo co robić: klasyfikować! I temu zajęciu oddaliśmy się bez reszty. Rezultaty i konsekwencje tej klasyfikacji omówię w następnej części.
|
|
