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


  „Rutherford” wraca
 
„Rutherford” wraca
 
Z
a  pomocą nowych wiązek elektronów, produkowanych przez SLAC, rozpoczęto w  1967 roku serię eksperymentów rozproszeniowych. Chciano w  ten sposób dokładniej zbadać strukturę protonu. Elektron o  dużej energii nadlatuje i  uderza w  proton w  wodorowej tarczy. Elektron opuszczający miejsce zderzenia ma dużo mniejszą energię i  podąża w  kierunku znacznie odchylonym od pierwotnego. Można powiedzieć, że punktowe obiekty wewnątrz protonu oddziałują na elektron podobnie jak jądro atomu na cząstki a  Rutherforda, choć problem ten jest nieco subtelniejszy.
       Zespołem z  Uniwersytetu Stanforda kierowali Richard Taylor (fizyk pracujący w  SLAC, Kanadyjczyk), Jerome Friedman i  Henry Kendall (obaj z  MIT). Wielką pomoc otrzymali od Richarda Feynmana i  Jamesa Bjorkena, kibicujących im gorąco. Feynman służył swą energią i  wyobraźnią przy rozwiązywaniu zagadnień związanych z  oddziaływaniem silnym, a  zwłaszcza przy szukaniu odpowiedzi na pytanie: „Co siedzi w  środku protonu?” Często przyjeżdżał na Uniwersytet Stanforda ze swej stałej siedziby w  Caltech w  Pasadenie. Bjorken, teoretyk ze Stanford, był głęboko zainteresowany przebiegiem eksperymentu i  regułami leżącymi u  podstaw pozornie niespójnych danych. Twierdził, że reguły te powinny wskazywać na podstawowe prawa (we wnętrzu czarnej skrzynki) rządzące strukturą hadronów.
       Musimy teraz wrócić na chwilę do naszych dobrych znajomych, Demokryta i  Boškovića, którzy naświetlili to zagadnienie. Jako kryterium pozwalające określić, czy dana cząstka jest a-tomem, Demokryt przyjął jej niepodzielność. Według modelu kwarkowego, proton jest tak naprawdę zlepkiem trzech szybko poruszających się kwarków, ale ponieważ kwarki te zawsze są ze sobą połączone, proton wydaje się być niepodzielną cząstką. Bošković wprowadził drugie kryterium. Cząstka elementarna, czyli a-tom, musi być punktem. Tego kryterium proton zdecydowanie nie spełnia. Zespół złożony z  pracowników MIT i  SLAC z  pomocą Feynmana i  Bjorkena uznał, że w  tym wypadku operacyjnym kryterium powinna być raczej punktowość cząstki, a  nie jej niepodzielność. Interpretacja uzyskanych danych w  ramach modelu punktowych składników protonu wymagała znacznie więcej finezji niż w  wypadku eksperymentu Rutherforda, dlatego też bardzo szczęśliwie się złożyło, że zespołowi pomagało dwóch najlepszych teoretyków na świecie. W  rezultacie okazało się, że dane rzeczywiście wskazywały na obecność punktowych obiektów poruszających się wewnątrz protonu. W  roku 1990 Taylor, Friedman i  Kendall zgarnęli Nobla za udowodnienie istnienia kwarków. (To właśnie ich miał na myśli Jay Leno w  cytacie otwierającym ten rozdział).
       Jak mogli zobaczyć kwarki, skoro one nigdy nie są swobodne? Dobre pytanie. Wyobraź sobie, drogi Czytelniku, zamknięte pudełko zawierające trzy kulki. Potrząsasz nim, przechylasz na wszystkie strony, słuchasz i  wyciągasz wniosek: trzy kulki. Inna sprawa, że kwarki zawsze wykrywa się w  pobliżu innych kwarków i  ta bliskość może zmieniać ich własności. Trzeba było zatem uwzględnić... piano, piano.
       Teoria kwarków zyskiwała coraz więcej wyznawców, zwłaszcza że teoretycy śledzący napływ danych zaczęli obdarzać je coraz większą dozą realności, nadawali im coraz to nowe własności, a  niemożność ich uwolnienia przeobrazili w  swego rodzaju zaletę. Termin „uwięzienie” nagle zaczął się pojawiać na każdym kroku. Kwarki są uwięzione na stałe, ponieważ energia potrzebna, aby je rozdzielić, rośnie wraz ze wzrostem odległości między kwarkami. Toteż w  miarę zwiększania wysiłków mających na celu rozdzielenie kwarków, okazuje się, że jest dość energii na wytworzenie nowej pary kwark-antykwark i  zamiast dwóch kwarków mamy już cztery, czyli dwa mezony. To trochę tak, jakbyśmy próbowali zabrać ze sobą tylko jeden koniec sznurka. Sznurek pęka i... trach!... mamy dwa sznurki.
       Ośrodki naukowe z  zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych stały się w  zasadzie monopolistami w  dziedzinie rozszyfrowywania kwarkowej struktury na podstawie eksperymentów rozproszeniowych z  udziałem elektronów. Muszę wszakże zaznaczyć, że bardzo podobne dane w  tym samym czasie uzyskała moja grupa w  Brookhaven. Żartowałem czasem, że gdyby Bjorken pracował we wschodnich stanach, to ja odkryłbym kwarki.
       Dwa zupełnie różne doświadczenia przeprowadzone przez SLAC i  Brookhaven dowodzą, że do kwarków można dotrzeć na kilka sposobów. W  obu wypadkach wodór służył jako tarcza, ale Taylor, Friedman i  Kendall używali elektronów w  charakterze sond, my zaś posłużyliśmy się protonami. W  SLAC w  „rejon czarnej skrzynki zderzeń” posyłano elektrony i  mierzono ich własności, gdy ów obszar opuszczały. Towarzyszyło im mnóstwo innych rzeczy, takich jak protony i  piony, ale nie zwracano na nie uwagi. W Brookhaven zderzaliśmy protony z  wiązki z  protonami z  jąder uranu i  koncentrowaliśmy się na pomiarach powstających par mionów. (Tym, którzy nie uważali, przypominam, że elektrony i  miony są leptonami o  identycznych własnościach, tylko że mion jest prawie 200 razy cięższy od elektronu).
       Mówiłem wcześniej, że eksperyment przeprowadzony w  SLAC przypominał eksperyment, w  którym Rutherford stwierdził istnienie jąder. Tylko że Rutherford po prostu odbijał cząstki alfa od jąder i  mierzył kąty odbicia. Proces badany w  SLAC był znacznie bardziej skomplikowany. Używając języka teoretyków i  odwołując się do wyobrażeń uformowanych na podstawie matematyki, mówi się, że nadlatujący elektron wysyła do czarnej skrzynki foton przenoszący oddziaływanie. Jeśli foton ten ma odpowiednie własności, może go pochłonąć któryś z  kwarków. Gdy elektron odnosi sukces, to znaczy wysyła taki foton, który zostaje połknięty, zmienia się jego energia i  kierunek ruchu. Opuszcza potem rejon czarnej skrzynki, odlatuje i  zostaje namierzony. Innymi słowy, energia wychodzącego elektronu mówi nam coś o  charakterze wysyłanego fotonu i, co ważniejsze, o  tym, co go połknęło. Zachowanie fotonów można interpretować tylko jako wynik absorpcji przez punktowe substruktury w  protonie.
       W  dimionowym eksperymencie (nazwanym tak, bo powstają w  nim pary mionów) przeprowadzonym w  Brookhaven do rejonu czarnej skrzynki posyłaliśmy wysokoenergetyczne protony. Energia protonu sprawia, że z  czarnej skrzynki emitowany jest foton, który, jeszcze zanim opuści rejon zderzenia, przekształca się w  parę mion-antymion, i  to właśnie te cząstki rejestrujemy. Podobnie jak w  doświadczeniu w  SLAC, dzięki temu pomiarowi możemy się dowiedzieć czegoś o  własnościach fotonu. Jednak aż do roku 1972 nie rozumieliśmy podstaw teoretycznych tego eksperymentu; zresztą okazało się później, że bez wielu różnych subtelnych dowodów nie sposób go jednoznacznie zinterpretować.
       Jako pierwszi zrobili to Sidney Drell i  jego student Tung Mo Yan z  Uniwersytetu Stanforda (nic dziwnego, tam wszyscy mają kwarki we krwi). Ich konkluzja: foton, który wytwarza parę mionów, powstaje wtedy, gdy kwark nadchodzącego protonu zderza się i  anihiluje z  antykwarkiem w  tarczy (albo na odwrót). Dziś interpretacja ta jest powszechnie znana pod nazwą procesu Drella-Yana, choć to my wymyśliliśmy ten eksperyment, a  Drell „zaledwie” wynalazł odpowiedni model do jego opisu.
       Gdy Richard Feynman w  swej książce nazwał mój dimionowy eksperyment doświadczeniem Drella-Yana – z  pewnością dla żartu – zadzwoniłem do Drella i  poprosiłem go, żeby skontaktował się ze wszystkimi nabywcami tej książki i  poprosił ich o  wykreślenie „Drell-Yan” na stronie 47 i  napisanie w  tym miejscu „Lederman”. Nie śmiałem naprzykrzać się Feynmanowi. Drell z  ochotą przystał na moją prośbę i  sprawiedliwość zatriumfowała.
       Od tego czasu przeprowadzono eksperyment Drella-Yana-Ledermana w niemal wszystkich laboratoriach. Uzyskano komplementarne dane potwierdzające szczegółowy opis procesu, w  którym kwarki tworzą protony i  mezony. Niemniej badania wykonane w  SLAC i  przez Drella-Yana-Ledermana nie przeobraziły wszystkich fizyków w  wyznawców teorii kwarków. Niektórzy wciąż podchodzili do niej sceptycznie. W  Brookhaven mieliśmy przekonującą wskazówkę, która mogłaby nawrócić nawet sceptyków, gdybyśmy tylko potrafili ją rozszyfrować.
       W  eksperymencie z  roku 1968, pierwszym tego rodzaju, obserwowaliśmy gładki spadek liczby wytwarzanych par mionów ze wzrostem masy fotonów przenoszących oddziaływanie. Taki  foton może mieć chwilowo dowolną masę, ale im jest ona większa, tym krócej foton żyje i  tym trudniej go otrzymać. Znów Heisenberg. Pamiętaj, drogi Czytelniku, że im większa masa, tym mniejszy zasięg cząstki w  przestrzeni, a  zatem ze wzrostem energii powinniśmy obserwować coraz mniej zdarzeń (coraz mniejszą liczbę par mionów). Przedstawiamy tę zależność na wykresie. Na poziomej osi (x) odkładamy masę rosnącą w  prawą stronę. Na pionowej osi (y) zaznaczamy liczbę par mionów. Powinniśmy więc otrzymać następujący wykres:
       Powinniśmy uzyskać krzywą gładko opadającą, co miałoby wskazywać na zawsze malejącą liczbę produkowanych par mionów w  miarę zwiększania energii fotonów opuszczających rejon czarnej skrzynki. Ale zamiast tego otrzymaliśmy coś, co wyglądało następująco:
       Dla masy równej około 3 GeV ten gładki spadek zostaje zaburzony przez „ramię”, zwane dziś ramieniem Ledermana. Ramię, czyli wybrzuszenie na wykresie, wskazuje na występowanie nieoczekiwanych zdarzeń, na coś, czego nie sposób wytłumaczyć, odwołując się jedynie do fotonów. To coś nakłada się na zwykłe zdarzenia Drella-Yana. Niestety, nie potraktowaliśmy wówczas tego ramienia jako świadectwa istnienia nowej cząstki, zaprzepaściliśmy tym samym okazję dokonania odkrycia, które ponad wszelką wątpliwość potwierdziłoby realność kwarków.
       Na marginesie trzeba dodać, że nasze rozżalenie, iż umknęło nam odkrycie punktowych obiektów wewnątrz protonu, odkrycie, które mocą szwedzkiego dekretu zostało przypisane Friedmanowi, Kendallowi i  Taylorowi, jest tylko pozornym żalem. Chyba nawet Bjorken nie byłby w  stanie dojrzeć w  roku 1968 subtelnych związków łączących kwarki z  dimionami z  Brookhaven.
       Patrząc z  perspektywy czasu, eksperyment dimionowy należy do moich ulubionych. Jego koncepcja była nowatorska. Strona techniczna była dziecinnie prosta: tak prosta, że straciłem okazję do dokonania głównego odkrycia dziesięciolecia. Na uzyskane wyniki składały się trzy rzeczy: dowód Drella-Yana na istnienie punktowych struktur, potwierdzenie koncepcji „koloru”, wynikające z  mierzonej absolutnej częstości produkowanych mionów (później omówimy tę koncepcję) i  odkrycie cząstki J/psi (zaraz do niej dojdziemy). Każde z  tych dokonań uhonorowano Noblem. Gdybyśmy przeprowadzili nasz eksperyment jak należy, Królewska Szwedzka Akademia Nauk mogłaby zaoszczędzić przynajmniej dwie nagrody!
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