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!
I wreszcie Boska
Cząstka

Wyjątki z agonii
modelu
standardowego

Ukryta prostota:
upojenie modelem
standardowym

Model standardowy
A. D. 1980

Chimera unifikacji
Cechowanie
Wytropić W
Carlo i goryl
Przejażdżka na
numerze 29

Triumf
Zwieńczenie modelu
standardowego

O co tu chodzi?
Poszukiwania kwarka t
Model standardowy to
chwiejna podstawa

I wreszcie...
Kryzys masowy
Kryzys unitarności?
Kryzys Higgsa
Dygresja o niczym
Znaleźć Higgsa
Pustyniatron
Prezydent Reagan
i superakcelerator:
prawdziwa historia

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


  O co tu chodzi?
 
O co tu chodzi?
 
W
swym dążeniu do osiągnięcia unifikacji teoretycy proponowali istnienie wielu hipotetycznych cząstek. Zazwyczaj ich własności, wyjąwszy masę, są dość dokładnie określone przez model. Jeśli nie obserwujemy tych egzotycznych cząstek, to możemy określić dolną granicę ich masy, zgodnie z  zasadą, że im cięższa cząstka, tym trudniej ją wyprodukować.
       Rozumowanie to opiera się na pewnej teorii. Teoretyk Lee mówi, że jeśli dysponujemy dostatecznie dużą energią, w  zderzeniu protonu z  antyprotonem może powstać hipotetyczna cząstka: nazwijmy ją Lee-on. Jednak prawdopodobieństwo – albo względna częstość pojawiania się Lee-onów – zależy od ich masy. Im są cięższe, tym rzadziej powstają. Teoretyk chętnie dostarczy nam wykres, na którym ukazana jest zależność między liczbą cząstek wyprodukowanych w  ciągu jednego dnia, a  ich masą. Na przykład, masa równa się 20 GeV – otrzymujemy 1000 Lee-onów dziennie (mnóstwo); 30 GeV – 2 Lee-ony; 50 GeV – jedna tysięczna Lee-ona. W  tym ostatnim wypadku eksperyment musiałby trwać 1000 dni, by udało się nam odnotować jedno zdarzenie z  udziałem poszukiwanej cząstki. Eksperymentatorzy zazwyczaj domagają się przynajmniej dziesięciu takich przypadków dziennie, ponieważ dodatkowe problemy sprawiają im kłopoty związane z  wydajnością i  tłem. Tak więc po zakończeniu cyklu eksperymentalnego trwającego, powiedzmy, 150 dni (czyli rok), w  którym nie zanotowano żadnego zdarzenia, bierzemy do ręki wykres, znajdujemy na krzywej punkt odpowiadający 10/150, czyli pojawianiu się jednej cząstki w  ciągu 15 dni, i  okazuje się, że odpowiada on masie 40 GeV. Zgodnie z  konserwatywną oceną należy przyjąć, że mogliśmy przeoczyć mniej więcej pięć zdarzeń. Zatem wykres mówi nam, że gdyby masa Lee-ona była mniejsza lub równa 40 GeV, powinniśmy zarejestrować słaby sygnał w  postaci kilku zdarzeń. A  my nic nie zanotowaliśmy. Wniosek: masa Lee-ona jest większa niż 40 GeV.
       Co dalej? Jeśli Lee-on – albo kwark t, albo cząstka Higgsa – są w  ogóle warte zachodu, mamy do wyboru trzy strategie. Pierwsza: przeprowadzić dłuższy eksperyment (ale to nie jest najlepszy sposób). Druga: zwiększyć ilość zderzeń na sekundę, czyli zwiększyć świetlność. Racja! To jest właśnie to, co robi się w  Fermilabie w  latach dziewięćdziesiątych, z  zamiarem stukrotnego zwiększenia częstości zderzeń. Jeśli tylko w  zderzeniu uczestniczy dostatecznie dużo energii (1,8 TeV to jest już dostatecznie dużo), zwiększanie świetlności bardzo pomaga. Trzecia strategia polega na zwiększaniu energii maszyny, dzięki czemu wzrasta prawdopodobieństwo wyprodukowania wszystkich ciężkich cząstek. Tę drogę wybrał nadprzewodzący superakcelerator.
       Dzięki odkryciu cząstek W  i  Z;  mamy już sześć kwarków, sześć leptonów i  dwanaście bozonów cechowania (cząstek przenoszących oddziaływania). Są jeszcze pewne aspekty modelu standardowego, których dotąd nie omówiliśmy w  pełni, ale zanim zbliżymy się do tajemnicy, poświęćmy chwilę samemu modelowi. Zapisany w  postaci trzech generacji, objawia pewien rytm. Zauważmy także i  inne prawidłowości. Wyższe generacje mają większą masę. Dzielące je różnice liczą się teraz, w  naszym zimnym świecie, ale nie miały zupełnie znaczenia, gdy Wszechświat był młody i  bardzo gorący. W młodym Wszechświecie wszystkie cząstki miały ogromne energie – miliardy TeV – toteż niewielka różnica w  masie spoczynkowej nie odgrywała praktycznie żadnej roli. Kiedyś, dawno temu, wszystkie kwarki, leptony i  inne cząstki występowały na równych prawach. Z jakiegoś powodu wszystkie były tak samo kochane i  potrzebne. Dlatego musimy je wszystkie traktować z  równą powagą.
       Z  danych zebranych w  CERN zdaje się wypływać jeszcze jeden wniosek: istnienie czwartej lub piątej generacji jest wielce nieprawdopodobne. Całkiem niezły wniosek, nieprawdaż? W  jaki sposób naukowcy, pracujący pośród ośnieżonych szczytów, głębokich, lodowatych jezior i  znakomitych restauracji, mogli dojść do tak przyziemnego wniosku?
       Rozumowanie, które do niego wiedzie, jest dość eleganckie. Z0 może się rozpadać na wiele sposobów. Każdy z  nich, każda dodatkowa możliwość skraca nieco przeciętny czas życia cząstki. Jeśli jest wiele chorób, niebezpieczeństw, wrogów, ludzkie życie także ulega skróceniu. Ale to kiepska analogia. Każda możliwość nowego rozpadu otwiera przed Z0 drogę wiodącą ku zagładzie. Całkowita suma wszystkich tych dróg determinuje czas życia. Zauważmy, że nie wszystkie cząstki Z0 mają taką samą masę. Teoria kwantowa mówi, że jeśli cząstka jest nietrwała – nie żyje wiecznie – to jej masa musi być cokolwiek nieokreślona. Zasada Heisenberga określa, w  jaki sposób czas życia wpływa na rozkład masy: długiemu czasowi życia odpowiada wąski rozkład masy, a  krótkiemu – szeroki. Innymi słowy, im krótszy czas życia, tym słabiej określona masa i  tym szerszy jej przedział. Teoretycy z  przyjemnością przedstawią nam wzór opisujący ten związek. Szerokość rozkładu masy można wyznaczyć bardzo łatwo, jeśli się ma do dyspozycji mnóstwo cząstek Z0 i  sto milionów franków szwajcarskich na zbudowanie detektora.
       Jeśli suma energii elektronów i  pozytonów uczestniczących w  zderzeniu jest znacznie mniejsza od średniej masy cząstek Z0, czyli od 91,188 GeV, nie powstanie ani jedna cząstka Z0. Operator akceleratora zwiększa energię, którą maszyna nadaje cząstkom, aż wreszcie w  pewnym momencie każdy z  detektorów może zarejestrować jakąś liczbę cząstek pochodzących z  rozpadu Z0. Jeśli dalej będzie zwiększał energię maszyny, zwiększy się także liczba rejestrowanych produktów rozpadu Z0. To jest po prostu powtórka eksperymentu, który doprowadził do odkrycia J/psi w  SLAC, ale w  tym wypadku szerokość przedziału energii wynosi 2,5 GeV. Oznacza to, że maksimum rejestrowanych cząstek znajdujemy przy energii równej 91,188 GeV. Przy 89,9 i  92,4 GeV ich liczba jest o  połowę mniejsza. (Może przypominasz sobie, drogi Czytelniku, że szerokość rozkładu masy J/psi była znacznie mniejsza – około 0,05 MeV). Dzięki krzywej dzwonowej możemy obliczyć tę szerokość, która odpowiada czasowi życia. Każdy możliwy sposób rozpadu przyczynia się do skrócenia czasu życia i  zwiększa szerokość prawie o 0,20 GeV.
       Co to wszystko ma wspólnego z  czwartą generacją? Zauważyliśmy, że w  każdej generacji występuje neutrino o  znikomej (albo zerowej) masie. Jeśli istnieje czwarta generacja – z  neutrinem o  niewielkiej masie – to Z0 musiałoby się także rozpadać na neutrino nx i  jego antycząstkę nx, należące do tej nowej generacji. Taka możliwość dodałaby 0,17 GeV do szerokości rozkładu masy. Dlatego starannie badano tę wielkość w  wypadku cząstki Z0. Okazała się dokładnie taka, jaką przewidywał model standardowy z  trzema generacjami. Tak więc dane dotyczące szerokości rozkładu masy wykluczają możliwość istnienia neutrina o  znikomej masie należącego do czwartej generacji. Wyniki wszystkich czterech eksperymentów prowadzonych w  LEP potwierdzają ten wniosek i  dopuszczają jedynie trzy pary neutrin. Istnienie czwartej generacji o  takiej samej strukturze, jak poprzednie trzy – zawierającej neutrino o  niewielkiej lub zerowej masie – jest wykluczone ze względu na dane dotyczące cząstki Z0.
       Trzeba tu dodać, że kosmolodzy sformułowali ten sam interesujący wniosek już wiele lat wcześniej, odwołując się do sposobu, w  jaki neutrony i  protony łączyły się, ażeby tworzyć pierwiastki chemiczne we wczesnej fazie rozszerzania się i  stygnięcia Wszechświata po Wielkim Wybuchu. Stosunek ilości wodoru do helu zależy (nie będę tego wyjaśniał) od liczby gatunków neutrin. Dane dotyczące obfitości pierwiastków wyraźnie wskazują na istnienie trzech gatunków neutrin. A  zatem badania prowadzone w  LEP mają także pewne znaczenie dla naszego rozumienia, jak przebiegała ewolucja Wszechświata.
       Tak oto mamy przed sobą niemal kompletny model standardowy. Brak tylko kwarka t. Nie znaleziono też neutrina taonowego, ale jak się przekonaliśmy, nie stanowi to istotnego braku. Z  grawitacją trzeba poczekać, aż teoretycy lepiej ją zrozumieją. No i, oczywiście, brakuje nam jeszcze bozonu Higgsa – 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