Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
ODDZIAŁYWANIE
ELEKTRYCZNE

Cząstki wirtualne
Osobisty magnetyzm
mionu

ODDZIAŁYWANIE
SŁABE

Lekko złamana
symetria, czyli skąd
się wzięliśmy

Polowanie na małe
neutralne

Wybuchowe równanie
Zbrodnicza spółka
i dwuneutrinowy
eksperyment

Brazylijskie zadłużenie
krótkie spódniczki
i vice versa

ODDZIAŁYWANIE
SILNE

Wołania kwarków
Zasady zachowania
Niobowe jaja
„Rutherford” wraca
Rewolucja
Listopadowa

Poszukiwanie
wybrzuszeń

Skąd to całe
zamieszanie (i trochę
kwaśnych winogron)

Nagi powab
Trzecia generacja
JESZCZE O
ODDZIAŁYWANIU
SŁABYM

Pora
na przyspieszenie
oddechu

Znalezienie zet zero
JESZCZE
O ODDZIAŁYWANIU
SILNYM: GLUONY

Koniec drogi
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Trzecia generacja
 
Trzecia generacja
 
Z
atrzymajmy się na chwilę. Zawsze trudniej jest opisywać niedawne zdarzenia, zwłaszcza jeśli samemu brało się w  nich udział. Nie upłynęło jeszcze dość czasu, by nabrać stosownego dystansu i  stać się bardziej obiektywnym, ale spróbujemy.
       Mieliśmy lata siedemdziesiąte i  dzięki znacznemu zwiększeniu rozmiarów akceleratorów i  wyrafinowanym detektorom postęp na drodze do odkrycia a-tomu nabrał tempa. Doświadczalnicy zajmowali się wieloma zagadnieniami, zdobywali wiedzę na temat rozmaitych powabnych obiektów, badali oddziaływania w  coraz bardziej mikroskopowym ujęciu, myszkowali w  rejonach najwyższych osiągalnych energii. Słowem, zajmowali się najistotniejszymi bieżącymi problemami. Potem postęp ten został przyhamowany, gdyż coraz trudniej przychodziło znajdowanie funduszy na prowadzenie badań. Wojna w  Wietnamie, która wyczerpała nie tylko naszego ducha, lecz także skarbiec, kryzys paliwowy i  ogólna chandra spowodowały odwrót od badań podstawowych. Nasi koledzy uprawiający Małą Naukę ucierpieli na tym wszystkim jeszcze bardziej niż my, bo fizykę wysokich energii przed takimi niekorzystnymi skutkami częściowo chroni to, że naukowcy łączą swe wysiłki i  wspólnie korzystają z  wielkich laboratoriów.
       Teoretycy, którzy nie potrzebują dużych funduszy – wystarczy im ołówek, trochę papieru i  wygodny gabinet – rozkwitali, zalewani strumieniami świeżych danych. Wciąż jeszcze działali niektórzy z  wielkich – Lee, Yang, Feynman, Gell-Mann, Glashow, Weinberg i  Bjorken, ale wkrótce dołączyły do nich nowe wielkie nazwiska: Martinus Veltman, Gerard 't  Hooft, Abdus Salam, Jeffrey Goldstone i  Peter Higgs.
       Przyjrzyjmy się pokrótce kilku szczytowym osiągnięciom eksperymentalnym ostatniego okresu, niesprawiedliwie wyróżniając w  ten sposób „odważne wypady w  nieznane” przed „powolnym, systematycznym przesuwaniem granicy”. W  roku 1975 Martin Perl, prawie w  pojedynkę walcząc ze współpracownikami w  stylu d'Artagnana, przekonał ich, a  w  końcu także i  wszystkich innych, że wśród danych zebranych w  SLAC czai się piąty lepton. Nazwano go taonem (t). Podobnie jak jego lżejsi kuzyni, e  i  m, również taon może mieć dwa znaki ładunku: t+ i  t.
       Rodziła się trzecia generacja. Ponieważ zarówno elektron, jak i  mion mają związane ze sobą neutrina, wydawało się naturalne, że należy założyć istnienie także neutrina taonowego (nt).
       Tymczasem grupa Ledermana w  Fermilabie nauczyła się poprawnie wykonywać eksperyment dimionowy i  nowe, znacznie bardziej efektywne ustawienie aparatury pozwoliło na badanie nowego przedziału masy: od J/psi aż do 25 GeV – górnej granicy, na jaką pozwalała energia 400 GeV akceleratora w  Fermilabie. (Pamiętaj, drogi Czytelniku, że mówimy tu o  stacjonarnych tarczach, dlatego efektywna energia stanowi tylko ułamek całkowitej energii wiązki). I  oto przy energii 9,4, 10,0 i  10,4 GeV pojawiły się trzy nowe wzgórki, widoczne tak jasno i  wyraźnie, jak szczyty Tetonów są widoczne w  słoneczny dzień z  narciarskiego miasteczka Grand Targhee. Gwałtowny napływ danych wzbogacił światową kolekcję zdarzeń dimionowych niemal stukrotnie. Naszą nową cząstkę nazwaliśmy ypsilonem (zdawało nam się, że była to ostatnia wolna litera grecka). Powtórzyła się historia J/psi, z  tą różnicą, że w  tym wypadku nowym kwarkiem był kwark b  od słowa beauty (po angielsku oznacza ono – piękno), przez innych fizyków, bez krztyny artyzmu w  duszy, zwany bottom (denny lub spodni). Uznano, że ypsilon składa się z  kwarka b  związanego z  anty-b. Większe obserwowane masy odpowiadały po prostu stanom wzbudzonym tej nowej cząstki. Odkrycie to nikogo nawet w  części nie poruszyło tak, jak odkrycie J/psi, ale trzecia generacja stanowiła naprawdę istotną nowinę i  rodziło się oczywiste pytanie: ile jeszcze ich jest? I  dlaczego przyroda korzysta z  takich kopii: każda generacja replikuje poprzednią.
       Pozwól, drogi Czytelniku, że opiszę teraz badania, które doprowadziły do odkrycia ypsilona. W  naszej grupie fizyków wywodzących się z  Uniwersytetu Columbia, Fermilabu i  Stony Brook (na Long Island) było kilku świetnych młodych doświadczalników. Skonstruowaliśmy urządzenie na najwyższym poziomie – spektrometr z  komorami drutowymi, magnesami, hodoskopami scyntylatorów i  innymi rzeczami. Nasz system zbierania danych stanowił „ostatni krzyk mody”, wykorzystywał urządzenia elektroniczne zaprojektowane przez genialnego Williama Sippacha. Wszyscy pracowaliśmy z  tymi samymi wiązkami wytwarzanymi w  Fermilabie. Dobrze znaliśmy problematykę i  siebie nawzajem.
       John Yoh, Steve Herb, Walter Innes i  Charles Brown byli chyba najlepszymi asystentami, z  jakimi kiedykolwiek miałem do czynienia. Oprogramowanie komputerów osiągnęło odpowiednio wysoki stopień wyrafinowania. Problem polegał na tym, że musieliśmy wychwytywać reakcje, które zdarzały się rzadziej niż raz na sto bilionów zderzeń. Ponieważ chcieliśmy zarejestrować wiele takich rzadkich dimionowych zdarzeń, trzeba było uodpornić aparaturę na wielką ilość nieistotnych dla nas cząstek. Nasz zespół zdobył unikalną wiedzę o  tym, jak pracując w  środowisku o  wysokim poziomie promieniowania mieć detektory wciąż jeszcze zdolne do spełniania swych zadań. Nauczyliśmy się tak sprawdzać naszą aparaturę, że mogliśmy bezlitośnie eliminować fałszywe informacje, niezależnie od tego, jak sprytnie przyroda starała się nas wyprowadzić w  pole.
       W  początkowym okresie naszego zapoznawania się z  techniką, aparatura nastawiona była na łowienie par elektron-pozyton. W pewnym momencie otrzymaliśmy około 25 takich par o  energiach powyżej 4 GeV. Co dziwne, 12 z  nich zgrupowanych było w  pobliżu 6 GeV. Wzgórek? Przedyskutowaliśmy sprawę i  postanowiliśmy opublikować wyniki, sugerując możliwość istnienia cząstki o  masie 6 GeV. Pół roku później, gdy liczba danych wzrosła do trzystu zdarzeń, puff! – nasz wzgórek zniknął. Zaproponowaliśmy dla cząstki kryjącej się pod fałszywym wzgórkiem nazwę ypsilon, ale gdy kolejne dane zdawały się przeczyć wcześniejszym, cały incydent został ochrzczony yps-leonem.
       Potem przyszedł czas na nowy eksperyment. Zainwestowaliśmy weń całą naszą wiedzę i  doświadczenie: zmieniliśmy układ tarcz, osłon, ustawienie magnesów i  ulepszyliśmy komory. W  maju 1977 roku zaczęliśmy zbierać nowe dane. Epoka cykli doświadczalnych trwających miesiące i  przynoszących w  efekcie, powiedzmy, 27 czy 300 zdarzeń już minęła. W  każdym tygodniu rejestrowaliśmy tysiące zdarzeń w  zasadzie wolnych od zakłóceń tła. Nieczęsto się zdarza w  fizyce, by nowe urządzenie pozwoliło na badanie zupełnie wcześniej nie znanej dziedziny zjawisk. Pierwszy teleskop lub mikroskop są historycznymi przykładami urządzeń, które odegrały znacznie większą rolę, ale podniecenie i  radość, jakie przeżywali ich konstruktorzy, nie mogło być wiele większe od naszego. Po tygodniu dostrzegliśmy szeroki pagórek w  okolicach 9,5 GeV. Wkrótce zostało to potwierdzone. John Yoh już wcześniej – podczas cyklu z  trzystoma zdarzeniami – widział to zgrupowanie danych, ale zniechęcony „niewypałem” przy 6 GeV wziął tylko butelkę szampana, opatrzył ją etykietką „9,5” i  schował do lodówki.
       W  czerwcu wypiliśmy szampana i  podzieliliśmy się z  innymi nowiną, która już i  tak zdążyła jakoś „wyciec” z  laboratorium. Steve Herb wygłosił referat przed licznym i  podnieconym audytorium. Było to pierwsze istotne odkrycie dokonane w  Fermilabie. Jeszcze w  tym samym miesiącu opisaliśmy dostrzeżenie szerokiego wybrzuszenia przy 9,5 GeV – z  770 zdarzeniami w  rejonie maksimum odkrycie to miało solidne podstawy statystyczne. Przedtem i  tak spędziliśmy wiele godzin na poszukiwaniu zaburzeń w  działaniu detektora, które mogłyby symulować takie zdarzenia. Martwe obszary w  detektorze? Błąd w  programie komputerowym? Bezlitośnie ścigaliśmy tuziny możliwych błędów i  testowaliśmy wszystkie systemy zabezpieczeń – polegają one na tym, że stawia się pytania, na które odpowiedź jest znana, i  sprawdza, czy maszyna udziela sensownych odpowiedzi. W  sierpniu, dzięki dodatkowym danym i  bardziej wyrafinowanym analizom, określiliśmy trzy wąskie wzgórki – rodzinę ypsilonów: ypsilon, ypsilon' i  ypsilon'' (¡, ¡' i  ¡''). Danych tych nie dało się wytłumaczyć na podstawie praw fizyki znanych w  roku 1977. Na scenę wkracza kwark b  – piękny (albo spodni)!
       Nasze wnioski, że mamy do czynienia z  nowym kwarkiem b, związanym ze swoim antykwarkiem, nie spotkały się ze zbyt wielką opozycją. J/psi był mezonem składającym się z  cc, a  ypsilon był mezonem bb. Ponieważ masa, przy której pojawiło się wybrzuszenie, równała się prawie 10 GeV, to masa kwarka b musiała wynosić około 5 GeV. Był to zatem najcięższy ze wszystkich znanych dotąd kwarków (c  miał tylko około 1,5 GeV). Takie „atomy”, jak cc i  bb, występują w  stanie podstawowym oraz rozmaitych stanach wzbudzonych. Nasze trzy wąskie wybrzuszenia reprezentowały właśnie stan podstawowy i  dwa wzbudzone.
       Jedną z  miłych rzeczy było to, że my, eksperymentatorzy, mogliśmy sobie poradzić z  równaniami, które opisywały ten dziwny atom, złożony z  ciężkiego kwarka krążącego wokół ciężkiego antykwarka. Stare, dobre równanie Schrödingera działało zupełnie dobrze. Odświeżywszy sobie wiadomości z  czasu studiów, ścigaliśmy się z  teoretykami, kto pierwszy obliczy poziomy energetyczne i  inne własności, które zmierzyliśmy. Nieźle się przy tym bawiliśmy... Ale wygrali oni.
       Odkrycia zawsze nieco przypominają doświadczenie seksualne. Gdy mistrzowska i  szybka analiza, której dokonał John Yoh, wykazała istnienie wzgórka, doznałem znanego mi już uczucia euforii zmieszanej z  niepokojem, że „to nie może być prawda”. Pojawia się oczywisty impuls, żeby dzielić się tym odkryciem. Z  kim? Z żonami, przyjaciółmi, dziećmi, a  w  tym wypadku – z  Robertem Wilsonem. Jego laboratorium naprawdę potrzebowało już jakiegoś odkrycia. Zadzwoniliśmy do kolegów pracujących w  Niemczech przy akceleratorze DORIS i  poprosiliśmy ich, by spróbowali osiągnąć energię potrzebną do wyprodukowania ypsilona. DORIS był jedynym akceleratorem poza Fermilabem, który mógł osiągnąć tę energię. Udało im się z  najwyższym wysiłkiem. Tym większa była nasza radość (i niemała ulga). Później dopiero zaczynasz myśleć o  nagrodach: czy to wystarczy?
       W  związku z  tym odkryciem przeżyliśmy szczególnie ciężkie chwile, bo po tygodniu zbierania danych przeszkodził nam pożar. W  maju 1977 roku zapaliło się urządzenie – dostarczone bez wątpienia przez taniego dostawcę – mierzące prąd płynący w  magnesach. Ogień rozprzestrzenił się aż do instalacji elektrycznej. Gdy ona płonie, wytwarza się gazowy chlor, a  kiedy usłużni strażacy wpadną z  wężami i  wszystko spryskają wodą, powstaje atmosfera przesycona chlorowodorem. Kwas ten osiada na wszystkich kartach z  tranzystorami i  zaczyna je powoli zżerać.
       Ratowanie sprzętu elektronicznego jest swego rodzaju sztuką. Przyjaciele z  CERN opowiadali mi kiedyś o  podobnym pożarze, zadzwoniłem więc do nich, szukając ratunku. Podano mi nazwisko i  numer telefonu holenderskiego eksperta od ratowania sprzętu, który pracował w  Hiszpanii dla niemieckiej firmy. Pożar wydarzył się w  sobotę i  właśnie była niedziela, godzina trzecia nad ranem. Zadzwoniłem do niego i  od razu udało mi się go znaleźć. Tak, może przyjechać, dotarłby do Chicago we wtorek, a  samolot towarowy z  Niemiec mógłby przywieźć chemikalia w  środę. Ale potrzebna mu jest wiza amerykańska, której załatwianie trwa zazwyczaj dziesięć dni. Zadzwoniłem do ambasady amerykańskiej w  Madrycie i  alarmowałem: „Energia atomowa, bezpieczeństwo państwa, sprzęt o  wartości milionów dolarów zagrożony...” Połączono mnie z  ambasadorem, na którym cała moja przemowa nie zrobiła najmniejszego wrażenia. Ożywił się dopiero, gdy przedstawiłem się jako profesor z  Uniwersytetu Columbia. „Columbia? Czemu pan od razu tego nie powiedział? Jestem z  rocznika 56! – zawołał. – Proszę do mnie przysłać tego swojego człowieka”.
       We wtorek przyjechał pan Jesse; obwąchał 900 kart, z  których każda miała około 50 tranzystorów (technologia z  roku 1975). W środę przybyły chemikalia. Podczas odprawy celnej piętrzyły się trudności, ale dopomógł nam Departament Energii. We czwartek mieliśmy już coś w  rodzaju linii produkcyjnej: fizycy, sekretarki, żony, narzeczone – wszyscy zanurzali karty w  sekretnym roztworze A, potem w  roztworze B, potem suszyli je w  strumieniu czystego azotu, potem czyścili pędzelkiem z  wielbłądziego włosa. Spodziewałem się, że będziemy musieli dodać do rytuału ciche wymawianie holenderskich zaklęć, ale to okazało się zbędne.
       Jesse był zapalonym kawalerzystą. Mieszkał w  Hiszpanii po to tylko, by móc trenować z  hiszpańską kawalerią. Gdy dowiedział się, że mam trzy konie, urwał się z  laboratorium, by jeździć z  moją żoną i  członkami klubu jeździeckiego Fermilabu. Będąc prawdziwym ekspertem, wszystkim udzielał wskazówek. Wkrótce jeźdźcy przemierzający prerię wymieniali uwagi na temat susów, pasaży i  innych manewrów kawaleryjskich. Dzięki temu dysponujemy teraz wyszkoloną kawalerią zdolną do obrony Fermilabu, gdyby wrogim siłom z  CERN czy SLAC przyszło do głowy zaatakować nas konno.
       W  piątek instalowaliśmy karty, sprawdziwszy uprzednio każdą z  nich. W  sobotę rano wszystko już normalnie funkcjonowało. Błyskawiczna analiza przeprowadzona kilka dni później wykazała, że wzgórek ciągle tkwił na swoim miejscu. Jesse został z  nami przez dwa tygodnie; jeździł konno, udzielał porad w  sprawie zapobiegania pożarom i  wszystkich oczarował. Nie przysłał nam nawet rachunku, zapłaciliśmy tylko za chemikalia. W  ten oto sposób świat otrzymał trzecią generację. Sama nazwa bottom – dno – sugeruje, że musi być top – wierzch, szczyt. (Jeśli ktoś woli beauty – piękno – to towarzyszy mu truth – prawda). Nowa tabela układu okresowego wyglądała teraz następująco:
 
Pierwsza generacja
Druga generacja
Trzecia generacja
KWARKI
górny (u)
powabny (c)
wierzchni (t)
dolny (d)
dziwny (s)
spodni (b)
 
LEPTONY
neutrino elektronowe (ne)
neutrino mionowe (nm)
neutrino tau (nt)
elektron (e)
mion (m)
tau (t)
 
       W  chwili gdy to piszę, nie znaleziono jeszcze kwarka t, nie przyszpilono jeszcze w  badaniach eksperymentalnych neutrina taonowego, ale nikt już nie wątpi w  ich istnienie. W ciągu lat składano w  Fermilabie rozmaite propozycje przeprowadzenia trzyneutrinowego eksperymentu, ale jak dotąd wszystkie zostały odrzucone, gdyż byłyby szalenie kosztowne. Zauważ, drogi Czytelniku, że istnienie zgrupowania cząstek zajmującego lewy dolny róg tabeli zostało udowodnione w  dwuneutrinowym eksperymencie w  1962 roku. Kwark b  i  lepton t były tylko kosmetycznymi poprawkami, wprowadzonymi do modelu pod koniec lat siedemdziesiątych.
       Po dodaniu do tej tabeli rozmaitych sił, stanowi ona zwięzłe podsumowanie wszystkich danych otrzymanych we wszystkich akceleratorach świata, począwszy od czasu, kiedy Galileusz spuszczał na ziemię kulki o  różnych ciężarach z  niezupełnie prostej wieży w  Pizie. Tabelę tę nazywamy modelem standardowym albo standardowym obrazem, albo standardową teorią. Zapamiętać!
       W  roku 1993 model ten jest traktowany w  fizyce cząstek elementarnych jako dogmat. Urządzenia pracujące w  latach dziewięćdziesiątych – głównie tewatron w  amerykańskim Fermilabie i  akcelerator pozytonów i  elektronów (o  nazwie LEP) w  europejskim CERN – oraz  tysiące eksperymentatorów koncentrują swe wysiłki na tym, co może wykraczać poza model standardowy. Mniejsze urządzenia, takie jak DESY, akcelerator w  Cornell i  Brookhaven, SLAC i  KEK (w  Tsukubie, w  Japonii) także pracują nad wzbogacaniem naszej wiedzy o  licznych parametrach modelu standardowego i  próbują znaleźć tropy wiodące ku jeszcze głębszej rzeczywistości.
       Jeszcze wiele pozostaje do zrobienia. W  przyrodzie występują tylko dwa rodzaje kombinacji kwarków: (1) kwark i  antykwark (qq), czyli mezony, oraz  (2) trzy kwarki (qqq), czyli bariony. Możemy się teraz pobawić i  tworzyć takie hadrony, jak uu, uc, ut, oraz uc, ut, ds, db... Wesołej zabawy! A  także uud, ccd, ttb... Możliwe są setki kombinacji (ktoś nawet wie ile). Każda z  nich reprezentuje cząstkę, która albo została wykryta i  umieszczona w  tabeli, albo czeka na odkrycie. Mierząc czasy życia i  sposoby rozpadu najróżniejszych cząstek, dowiadujemy się coraz więcej o  silnym oddziaływaniu między kwarkami, przenoszonym przez gluony, a  także o  własnościach oddziaływania słabego. Mnóstwo roboty. Inne ważne zagadnienie związane jest z  „prądami neutralnymi” i  odgrywa kluczową rolę w  naszej historii tropienia Boskiej Cząstki.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach