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


  JESZCZE O ODDZIAŁYWANIU SILNYM: GLUONY
 
JESZCZE O ODDZIAŁYWANIU SILNYM: GLUONY
 
W
latach siedemdziesiątych brakowało nam jeszcze jednego odkrycia do zwieńczenia modelu standardowego. Mieliśmy już kwarki, ale były tak mocno związane ze sobą, że nie istniało coś takiego jak swobodny kwark. Nie wiedzieliśmy, jaki mechanizm może za tym stać. Wezwaliśmy na pomoc kwantową teorię pola, ale znów rezultaty nie były zadowalające. Bjorken zinterpretował pierwsze dane uzyskane w  eksperymencie na Uniwersytecie Stanforda, w  którym elektrony odbijały się od kwarków w  protonie. Charakter rozpraszania wskazywał na to, że nieznana siła wiążąca kwarki ze sobą jest zaskakująco słaba, gdy te znajdują się bardzo blisko siebie.
       To był niesamowity rezultat, ponieważ także i  tu chciałoby się zastosować symetrię cechowania. Teorie z  cechowaniem mogły przewidzieć takie sprzeczne z  intuicją zjawisko, kiedy silne oddziaływanie staje się bardzo słabe przy maleńkich odległościach i  coraz mocniejsze, gdy kwarki oddalają się od siebie. Proces ten, odkryty przez kilku młodzieńców: Davida Politzera z  Harvardu oraz Davida Grossa i  Franka Wilczka z  Princeton, nosi nazwę, której pozazdrościłby mu każdy polityk – asymptotyczna swoboda. „Asymptotyczna” to z  grubsza znaczy taka, która „zbliża się coraz bardziej, ale nigdy nie dotyka”. Kwarki mają taką właśnie asymptotyczną swobodę. Oddziaływanie silne robi się coraz słabsze, w  miarę jak kwarki zbliżają się do siebie. Oznacza to, że gdy kwarki są blisko siebie, paradoksalnie, zachowują się tak, jakby były swobodne, ale gdy oddalają się od siebie, łącząca je siła robi się efektywnie coraz silniejsza. Mała odległość implikuje wysoką energię, a  więc silne oddziaływanie słabnie przy wysokich energiach. W wypadku oddziaływania elektromagnetycznego jest wręcz przeciwnie. („Wszystko robi się coraz dziwniejsze” – powiedziała Alicja). Co ważniejsze, oddziaływanie silne potrzebuje cząstek przenoszących, tak samo jak i  inne siły. Gdzieś po drodze cząstki te otrzymały imię – gluony. Ale nazwać nie znaczy poznać.
       Jeszcze jedna koncepcja przewijająca się przez prace teoretyków ma dla nas teraz znaczenie – Gell-Mann nadał jej nazwę – kolor. Nie ma on nic wspólnego z  kolorem znanym nam z  życia codziennego. Kolor pozwala wyjaśnić i  przewidywać rezultaty eksperymentów. Wyjaśnia na przykład, w  jaki sposób proton może mieć dwa kwarki u i  jeden d, choć zakaz Pauliego wyraźnie mówi, że dwa identyczne obiekty nie mogą znajdować się w  tym samym stanie. Jeśli jeden z  kwarków u jest zielony, a  drugi niebieski, to zakazowi Pauliego staje się zadość. Kolor jest dla oddziaływania silnego tym, czym znak ładunku dla elektryczności.
       Kolor musi występować w  trzech odmianach – orzekł Gell-Mann i  inni pracujący w  tym samym ogródku. Przypomnij sobie, drogi Czytelniku, że Faraday i  Franklin ustalili, iż elektryczność występuje w  dwóch rodzajach, oznaczonych plusem i  minusem. Kwarki potrzebują trzech rodzajów. Tak więc teraz wszystkie kwarki występują w  trzech kolorach. Być może pomysł kolorów został skradziony z  palety malarskiej, ponieważ istnieją trzy podstawowe kolory. Lepiej można by to wyrazić za pomocą innej analogii: ładunek elektryczny jest jednowymiarowy – plus i  minus wyznaczają tylko kierunek – a  kolor jest trójwymiarowy (trzy osie: czerwona, niebieska i  zielona). Kolor pozwolił wyjaśnić, dlaczego istnieją wyłącznie dwa rodzaje kombinacji kwarków: kwark z  antykwarkiem (mezon) lub trzy kwarki (barion). Te kombinacje nie mają żadnej barwy. „Kwarkowość” znika, gdy przyglądamy się mezonowi czy barionowi. Czerwony kwark łączy się z  antyczerwonym, by powstał bezbarwny mezon. Czerwony i  antyczerwony znoszą się nawzajem. Podobnie kwark czerwony, niebieski i  zielony mieszają się w  protonie i  w  efekcie powstaje biel. Znów brak koloru.
       Nawet jeśli istnieją sensowne powody, by używać określenia „kolor”, nie ma ono dosłownego znaczenia. Opisuje kolejną abstrakcyjną własność, którą teoretycy nadali kwarkom, by wyjaśnić narastającą liczbę danych. Równie dobrze mogliśmy je nazwać Tom, Dick i  Harry albo A, B  i  C, ale kolor zdawał się być bardziej stosowną (barwną?) metaforą. Tak więc kolor wespół z  kwarkami i  gluonami już na zawsze stał się częścią czarnej skrzynki kryjącej abstrakcyjne byty, które nigdy nie spowodują trzasku w  liczniku Geigera, nie zostawią śladu w  komorze pęcherzykowej, nigdy nie potrącą drucika w  elektronicznym detektorze.
       Niemniej koncepcja głosząca, że oddziaływanie silne słabnie, gdy kwarki zbliżają się do siebie, była niezwykle ekscytująca z  punktu widzenia dalszej unifikacji. Kiedy zmniejsza się odległość między cząstkami, zwiększa się ich względna energia. Ta asymptotyczna swoboda implikuje, że oddziaływanie silne słabnie przy wysokich energiach. Poszukiwacze unifikacji mogli dzięki temu żywić nadzieję, że przy dostatecznie wysokiej energii siły oddziaływań silnego i  elektrosłabego są sobie bliskie.
       A  co z  cząstkami przenoszącymi oddziaływanie? Jak mamy opisać nośnik oddziaływania i  koloru? Okazało się, że gluony przenoszą dwa kolory – kolor i  inny antykolor – oraz zmieniają kolor kwarka, który je pochłania lub emituje. Na przykład czerwony-antyniebieski gluon zmienia czerwony kwark w  niebieski. Ta wymiana jest źródłem oddziaływania silnego. Murray Wielki-Nazwodawca nazwał tę teorię chromodynamiką kwantową (ang. quantum chromodynamics, QCD) na podobieństwo QED. Konieczność dokonywania zmian kolorów sprawia, że musimy mieć wystarczającą liczbę gluonów, by przeprowadzić wszystkie możliwe zmiany. Okazuje się, że wystarczy do tego osiem gluonów. Jeśli zapytasz, drogi Czytelniku, dlaczego osiem, teoretyk odpowie z  mądrą miną: „No cóż, osiem to jest dziewięć odjąć jeden”.
       Nasze zakłopotanie w  obliczu tego, że nigdy nie widziano kwarka na zewnątrz hadronu, tylko umiarkowanie łagodzi możność wyobrażenia sobie, dlaczego kwarki są na stałe uwięzione. Gdy kwarki znajdują się blisko siebie, wywierają na siebie nawzajem stosunkowo niewielkie oddziaływanie. Jest to pole chwały teoretyków, którzy mogą obliczać własności stanu kwarka i  jego wpływ na eksperymenty. Jednak, w  miarę jak kwarki oddalają się od siebie, oddziaływanie staje się coraz silniejsze i  energia potrzebna, by dalej zwiększać dzielącą je odległość, szybko rośnie, aż – na długo zanim faktycznie rozdzielimy kwarki – ilość włożonej energii jest wystarczająca, by powstała nowa para kwark-antykwark. Ta ciekawa własność wynika z  tego, że gluony nie są zwykłymi, głupimi cząstkami przenoszącymi oddziaływanie. One faktycznie oddziałują ze sobą. Tu właśnie QCD różni się od QED, bo fotony ignorują się wzajemnie.
       Niemniej QED i  QCD łączy wiele podobieństw, szczególnie w  obszarze wysokich energii. Choć nie od razu, to jednak nieodwołalnie QCD zaczęła odnosić sukcesy. Ponieważ nie pozwalała na opisanie długozasięgowej części siły, obliczenia nigdy nie były zbyt precyzyjne, a  wiele eksperymentów podsumowywano raczej mglistym stwierdzeniem: „nasze wyniki są zgodne z  przewidywaniami QCD”.
       Cóż to zatem za teoria, skoro nigdy, przenigdy nie możemy zobaczyć swobodnego kwarka? Potrafimy robić eksperymenty, w  których wyczuwamy obecność elektronów, mierzyć je na rozmaite sposoby, nawet jeśli pozostają cały czas związane w  atomie. Czy możemy tak samo postąpić z  kwarkami oraz gluonami? Bjorken i  Feynman sugerowali, że w  bardzo twardych zderzeniach kwarki, które otrzymują wówczas doprawdy potężną dawkę energii, zostają gwałtownie wyrzucone i  tuż przed uwolnieniem się spod wpływu swych kwarkowych partnerów maskują się, przybierając postać wąskiej wiązki hadronów: trzech, czterech czy nawet ośmiu pionów lub dodatkowo kilku kaonów i  nukleonów. Miałyby to być bardzo wąskie wiązki, skierowane wzdłuż toru ruchu pierwotnego kwarka. Wiązki te nazwano „dżetami” i  zaczęto ich szukać.
       Trudno było zidentyfikować dżety za pomocą urządzeń z  lat siedemdziesiątych, ponieważ wytwarzały one powolne kwarki, które dają początek szerokim dżetom z  niewielką liczbą hadronów, a  my potrzebowaliśmy dżetów wąskich i  gęstych. Pierwszy sukces odniosła młoda eksperymentatorka, Gail Hanson, która otrzymała doktorat w  MIT i  pracowała w  SLAC. Jej staranne analizy wykazały, że hadrony w  produktach zderzeń elektronów oraz  pozytonów o  energii 3 GeV w  akceleratorze SPEAR są ze sobą w  pewien sposób skorelowane. Stwierdzenie tego stało się możliwe dlatego, że zderzały się czołowo elektrony i  pozytony, a  wylatywały – w  przeciwnych kierunkach, by zachować pęd – kwarki oraz  antykwarki. Te skorelowane dżety z  trudem, ale niedwuznacznie ujawniały się w  analizie. Gdy siedzieliśmy z  Demokrytem w  pomieszczeniu kontrolnym CDF, co kilka minut na ekranach ukazywały się właśnie przypominające pęczek igieł wiązki, zawierające około dziesięciu hadronów – dwa dżety skierowane w  przeciwnych kierunkach. Nie ma żadnego innego powodu, aby istniała taka struktura, jak tylko ten, że z  kwarka o  bardzo wysokiej energii i  pędzie, który się przyodziewa, zanim wyjdzie na zewnątrz, powstaje strumień materii.
       Jednak odkrycie o  największym znaczeniu w  tej dziedzinie zostało dokonane w  Hamburgu za pomocą maszyny PETRA, zderzającej elektrony z  pozytonami. Energia tych zderzeń wynosiła 30 GeV. Tu dżetowe struktury ujawniły się nawet bez analiz. Kwarki po prostu było widać w  danych. Ale widać było coś jeszcze.
       Jeden z  detektorów współpracujących z  PETRA ma swój własny akronim: TASSO (Two-Armed Solenoidal Spectrometer). Grupa pracująca z  TASSO poszukiwała zderzeń, w  których pojawiłyby się trzy dżety. Z  QCD wynika, że pozyton i  elektron anihilują, tworząc parę kwark i  antykwark. Istnieje spore prawdopodobieństwo, że jeden z  odlatujących kwarków wypromieniuje wirtualny gluon. W  procesie tym mamy dość energii, by wirtualny gluon przeobraził się w  rzeczywisty. Gluony są tak samo skromne jak kwarki i  przyoblekają się przed wyjściem z  czarnej skrzynki zderzenia. Stąd też możliwe jest zaobserwowanie trzech dżetów hadronów. Ale na to potrzeba więcej energii.
       W  roku 1978 cykle doświadczalne przy całkowitych energiach 13 i  17 GeV nie przyniosły oczekiwanych rezultatów, ale przy 27 GeV coś się stało. Analizę przeprowadziła kolejna kobieta-fizyk Sau Lan Wu, profesor na Uniwersytecie Stanu Wisconsin. Program Wu wkrótce wykrył ponad 40 przypadków, w  których pojawiały się trzy dżety hadronów. Każdy z  nich zawierał trzy do dziesięciu śladów (hadronów). Całość przypominała ornament zdobiący maskę mercedesa.
       Fizycy pracujący w  innych grupach na PETRA wkrótce zaobserwowali to samo zjawisko. Przeszukali zebrane dane i  natrafili na trzydżetowe zdarzenia. Rok później odnotowano ich już tysiące. Tak oto udało się „zobaczyć” gluon. Charakterystyka śladów została opracowana przez teoretyka Johna Ellisa z  CERN na gruncie QCD. Trzeba przyznać, że to jego interwencja sprawiła, iż wzrosła motywacja do prowadzenia badań. Latem roku 1979 podczas konferencji odbywającej się w  Fermilabie obwieszczono, że wykryto gluony.
       Mnie natomiast przypadł w  udziale zaszczyt wystąpienia w  programie Phila Donahue, by szerokimu ogółowi wyjaśnić istotę i  znaczenie odkrycia. Niestety, więcej energii musiałem włożyć w  przekonywanie widowni, że nie używamy bizonów żyjących na terenie Fermilabu w  charakterze urządzeń do wczesnego ostrzegania o  niebezpiecznym skażeniu radioaktywnym. Ale w  fizyce prawdziwą nowiną były gluony. Bozony, a  nie bizony.
       Teraz wreszcie mieliśmy już wszystkie cząstki przenoszące oddziaływania, bardziej uczenie zwane bozonami cechowania. (Termin „bozon” pochodzi od hinduskiego fizyka, który opisał klasę cząstek o  spinie równym liczbie całkowitej, natomiast „cechowanie” – od symetrii cechowania). Podczas gdy wszystkie cząstki materii mają spin równy 1/2 i  nazywane są fermionami, spin cząstek przenoszących oddziaływania równa się 1 i  cząstki te zwie się bozonami. (Przeskoczyliśmy po drodze pewne szczegóły).
       Istnienie jednego z  bozonów – fotonu – zostało przewidziane przez Einsteina w  1905 roku. Foton zaobserwował eksperymentalnie w  roku 1923 Arthur Compton, używając promieni Roentgena rozpraszanych na elektronach związanych w  atomach. Choć prąd neutralny odkryto już w  połowie lat siedemdziesiątych, cząstek W  i  Z  nie udało się zarejestrować bezpośrednio aż do lat 1983–1984. (Odkryto je w  CERN w  akceleratorze hadronowym). Jak wspomniałem, gluony odkryto w  1979 roku.
       W  tych długich rozważaniach nad oddziaływaniem silnym powinniśmy zwrócić uwagę na to, że zostało ono określone jako oddziaływanie występujące między kwarkami i  przenoszone przez gluony. A  co się stało ze starym oddziaływaniem silnym między protonami i  neutronami? Rozumiemy je teraz jako szczątkowe efekty działania gluonów, jak gdyby wyciekających z  protonu i  neutronu. Stare silne oddziaływanie, dość dobrze opisane jako wymiana pionów, jest obecnie interpretowane jako konsekwencja złożonych procesów zachodzących między kwarkami a  gluonami.
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