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?

Czy Bogini stwarza to
wszystko . . .

Dlaczego aż tyle
energii?

Szczelina
Umasywniacz
Katedra Moneta, czyli
trzynaście sposobów
widzenia protonu

Nowa materia:
kilka przepisów

Cząstki z próżni
Wyścig
Wpływowa osobistość
z Kalifornii

Wielka nauka i genius
loci Kalifornii

Synchrotron: tyle
okrążeń, ile chcesz

Ike i piony
Damy Beppa
Pierwsza wiązka
zewnętrzna:
przyjmujemy zakłady

Dygresja w stronę
nauk społecznych:
pochodzenie wielkiej
nauki

Z powrotem do
maszyn: trzy przełomy
technologiczne

Czy większe jest
lepsze?

Czwarty przełom:
nadprzewodnictwo

Kowboj dyrektorem
laboratorium

Dzień z życia protonu
Decyzje, decyzje:
protony czy elektrony

Zderzenie czołowe
czy tarcza?

Wytwarzając
antymaterię

Zaglądanie do czarnej
skrzynki: detektory

Kłopoty
z pęcherzykami

Czego się
dowiedzieliśmy:
akceleratory i postęp
w fizyce

Trzy finały:
wehikuł czasu, katedry
i akcelerator na orbicie

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

A–tom!
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


  Wytwarzając antymaterię
 
Wytwarzając antymaterię
 
K
olejnym akceleratorem wybudowanym w  Stanford w  1973 roku było bardzo produktywne urządzenie, zwane SPEAR (Stanford Positon Electron Accelerator Ring, czyli Pierścieniowy Akcelerator Pozytonowo-Elektronowy w  Stanford). W  tej maszynie wiązki elektronów przyspiesza się najpierw w  trzykilometrowym akceleratorze liniowym do energii 1–2 GeV, a  następnie wstrzykuje do niewielkiego pierścienia akumulacyjnego. W  wyniku całej serii reakcji powstają pozytony – cząstki Carla Andersona. Najpierw wiązka elektronów oddziałuje z  tarczą, by wytworzyć między innymi silną wiązkę fotonów. Różne odłamki w  postaci naładowanych cząstek zostają usunięte za pomocą magnesów, które nie oddziałują z  neutralnymi fotonami. Czysta wiązka fotonów uderza w  cienką tarczę, na przykład platynową. Najczęstszym rezultatem takiego zderzenia jest przekształcenie czystej energii fotonu w  parę cząstek: w  elektron i  pozyton. Energia każdej z  tych cząstek równa się połowie energii dającego im początek fotonu, pomniejszonej o  masę spoczynkową powstającej pary.
       Układ magnesów wyłapuje część pozytonów i  wprowadza je do pierścienia akumulacyjnego, gdzie przyspieszone elektrony cierpliwie krążą dookoła. Wiązki elektronów i  pozytonów, mające przeciwne ładunki elektryczne, biegną w  pierścieniu w  przeciwnych kierunkach. Rezulatat jest oczywisty: zderzenie czołowe. Dzięki SPEAR dokonano kilku bardzo ważnych odkryć, akceleratory tego typu zaczęły się cieszyć ogromnym powodzeniem i  na świat spłynął potok poetyckich (?) akronimów. W  kolejności chronologicznej: ADONE (Włochy, 2 GeV), SPEAR (USA, Stanford, 3 GeV), DORIS (Niemcy, 6 GeV), PEP (znowu Stanford, 30 GeV), PETRA (Niemcy, 30 GeV), CESR (USA, Cornell, 8 GeV), VEPP (ZSRR), TRISTAN (Japonia, 60–70 GeV), LEP (CERN, 100 GeV) i  SLC (USA, Stanford, 100 GeV). Zauważ, drogi Czytelniku, że akceleratory te są klasyfikowane w  zależności od sumy energii dwóch wiązek, na przykład LEP ma 50 GeV w  każdej wiązce, a  zatem jest urządzeniem osiągającym energię równą 100 GeV.
       W  roku 1972 stało się możliwe dokonywanie zderzeń między protonami w  pionierskim urządzeniu w  CERN – w  akceleratorze ISR (Intersecting Storage Ring) w  Genewie. Tu dwa niezależne pierścienie są ze sobą splecione, a  protony krążą w  nich w  przeciwnych kierunkach i  do zderzeń między nimi dochodzi w  ośmiu punktach, w  których pierścienie przecinają się ze sobą. Materia i  antymateria – tak jak elektron i  pozyton – może krążyć w  tym samym pierścieniu, bo magnesy zmuszają je do ruchu w  przeciwnych kierunkach; ale by zderzać ze sobą protony, potrzebne są dwa osobne pierścienie.
       W  ISR każdy pierścień wypełniają protony o  energii 30 GeV, pochodzące z  bardziej konwencjonalnego akceleratora – PS. ISR ostatecznie zaczął odnosić znaczne sukcesy, ale na początku, gdy go uruchomiono w  1972 roku, otrzymywano jedynie kilka tysięcy zderzeń na sekundę w  punktach o  dużej świetlności. „Świetlność” jest terminem oznaczającym liczbę zderzeń na sekundę. Początkowe kłopoty ISR wyraźnie ukazują trudności z  doprowadzaniem do zderzeń między dwoma lecącymi pociskami (dwoma wiązkami cząstek). W  końcu urządzenie zostało usprawnione i  osiągało ponad 5 milionów zderzeń na sekundę. Jeśli chodzi o  fizykę, dokonano tam paru istotnych pomiarów, ale ISR dostarczył przede wszystkim cennego doświadczenia w  dziedzinie technik detekcji i  tego rodzaju akceleratorów w  ogóle. ISR jest bardzo eleganckim urządzeniem zarówno pod względem zastosowanej w  nim technologii, jak i  prezencji – jest po prostu typowym wyrobem szwajcarskim. Pracowałem tam przez cały 1972 rok, a  potem, w  następnym dziesięcioleciu, często tam powracałem. Zaprosiłem kiedyś I. I. Rabiego, który gościł w  Genewie na konferencji „Atom dla Pokoju”, by zwiedził ISR. Gdy weszliśmy do eleganckiego tunelu akcelaratora, Rabi zawołał: „Ach, Patek Philippe!”
       Budowa najbardziej skomplikowanych akceleratorów – tych, które ciskają protony przeciw antyprotonom – stała się możliwa dzięki genialnemu Rosjaninowi, Gersonowi Budkerowi, który pracował w  Nowosybirskim Radzieckim Miasteczku Naukowym. Budker budował maszyny elektronowe w  Rosji, konkurując z  amerykańskim przyjacielem Wolfgangiem Panofskym. Potem przeniesiono go do Nowosybirska, do nowej uniwersyteckiej placówki badawczej na Syberii. Ponieważ Panofsky, jak ujął to Budker, nie został przeniesiony na Alaskę, dalsze współzawodnictwo stało się już nie fair i  rosyjski uczony musiał wymyślić coś innego.
       W  latach pięćdziesiątych i  sześćdziesiątych Budker kierował w  Nowosybirsku kwitnącym kapitalistycznym systemem sprzedaży małych akceleratorów dla potrzeb radzieckiego przemysłu w  zamian za materiały i  pieniądze potrzebne do kontynuowania badań. Fascynowała go możliwość używania antyprotonów jako jednego z  elementów czołowego zderzenia w  akceleratorze, ale zdawał sobie sprawę, że stanowią one bardzo trudno dostępny towar. Można je otrzymać jedynie w  wysokoenergetycznych zderzeniach, gdzie powstają za sprawą E = mc2. W  urządzeniu o  mocy wielu dziesiątków GeV wśród odłamków pochodzących ze zderzeń można znaleźć tylko nieliczne antyprotony. Chcąc zebrać ich dostatecznie dużo, by otrzymać przyzwoitą liczbę zderzeń, trzeba by je zbierać przez wiele godzin. Poza tym antyprotony wyłaniają się ze zderzeń we wszystkich możliwych kierunkach. Naukowcy pracujący z  akceleratorami określają ruch antyprotonów według ich energii, głównego kierunku ruchu i  dodatkowej, poprzecznej składowej, która sprawia, że zajmują one całą dostępną przestrzeń komory próżniowej. Osiągnięciem Budkera było to, że dostrzegł możliwość „schładzania” tej poprzecznej składowej ruchu antyprotonów i  ściśnięcia ich na czas przechowywania w  znacznie bardziej zwartą wiązkę. To są bardzo skomplikowane sprawy: trzeba osiągnąć wyższy poziom kontroli wiązki, magnesy muszą być superstabilne, a  próżnia doskonała. Antyprotony przechowuje się, chłodzi i  zbiera przez ponad dziesięć  godzin, zanim zgromadzi się ich wystarczająco dużo, by wstrzyknąć je do akceleratora i  zacząć przyspieszanie. Pomysł był wspaniały, ale zbyt skomplikowany jak na ograniczone możliwości, którymi Budker dysponował na Syberii.
       Na scenę wkracza Simon van der Meer, holenderski inżynier pracujący w  CERN, który pod koniec lat siedemdziesiątych rozwinął technikę chłodzenia antyprotonów i  przyczynił się do zbudowania ich źródła wykorzystanego w  pierwszym akceleratorze protonowo-antyprotonowym. Van der Meer wykorzystał zbudowany w  CERN pierścień o  mocy 400 GeV w  podwójnej roli pierścienia akumulacyjnego i  akceleratora. Do pierwszych zderzeń protonów z  antyprotonami doszło w  1981 roku. W  roku 1985 van der Meer otrzymał Nagrodę Nobla (wraz z  Carlem Rubbią) za wkład, jaki wniósł w  opracowanie metody tzw. chłodzenia stochastycznego. Jego prace były elementem programu, którym kierował Carlo Rubbia i  który doprowadził do odkrycia cząstek W+, W i  Z0. Jeszcze powrócę do tych cząstek.
       Carlo Rubbia to postać tak barwna, że zasługuje na osobną książkę (poświęcono mu już co najmniej jedną: Nobel Dreams Garry'ego Taubesa). To jeden z  najgenialniejszych absolwentów słynnej Scuola Normale w  Pizie, której studentem był także Enrico Fermi. Rubbia jest niewyczerpanym źródłem energii. Pracował na Uniwersytecie Columbia, w  CERN, na Harvardzie, w  Fermilabie, znowu w  CERN, znowu w  Fermilabie. Podróżował  tak często, że w  końcu opracował skomplikowany system oszczędnościowy, polegający na odpowiednim wymienianiu zbędnych połówek biletów „tam” i  z  powrotem”. Pewnego razu na chwilę udało mi się go przekonać, że kiedy będzie przechodził na emeryturę, zostanie mu osiem nie wykorzystanych biletów, wszystkie na loty w  jednym kierunku, na zachód. W  roku 1989 został dyrektorem CERN. W  tym czasie ośrodek ten już od paru lat dzierżył palmę pierwszeństwa w  dziedzinie zderzeń protonów z  antyprotonami. Jednak w  latach 1987–1988 tewatron wysunął się na prowadzenie, gdy w  Fermilabie wprowadzono znaczne usprawnienia metody opracowanej w  CERN i  uruchomiono własne źródła antyprotonów.
       Antyprotony nie rosną na drzewach, nie można ich też kupić w  żadnym sklepie. W  latach dziewięćdziesiątych Fermilab jest największym na świecie magazynem tych cząstek, które przechowuje się w  pierścieniu magnetycznym. W  futurystycznym raporcie, opracowanym przez US Air Force wspólnie z  Rand Corporation, czytamy, że antyprotony byłyby idealnym paliwem rakietowym, gdyż 1 mg (jedna tysięczna grama) tych cząstek może dostarczyć tyle samo energii, co dwie tony ropy. Skoro Fermilab jest światowym liderem w  dziedzinie produkcji antyprotonów (1010 sztuk na godzinę), to ile czasu potrzebowałby na wyprodukowanie jednego miligrama? Przy współczesnym tempie zajęłoby mu to kilka milionów lat nieprzerwanej pracy. Można sobie wyobrazić, że jakieś niesłychanie zmyślne usprawnienia techniczne mogłyby zredukować ten okres do kilku tysięcy lat. Toteż raczej nie radzę inwestować w  Antyprotonowy Fundusz Powierniczy.
       Proces zderzania protonów z  antyprotonami przebiega w  Fermilabie następująco: główny pierścień starego akceleratora – niegdyś o  mocy 400 GeV – pracując na poziomie 120 GeV co dwie sekundy wystrzeliwuje w  kierunku tarczy wiązkę protonów. Podczas każdego takiego bombardowania, w  którym bierze udział około 1012 protonów, powstaje mniej więcej 10 milionów antyprotonów o  odpowiedniej energii, zmierzających we właściwym kierunku. Na każdy wyprodukowany antyproton przypadają tysiące niepotrzebnych pionów, kaonów i  innych odpadków, ale wszystkie te cząstki są nietrwałe i  prędzej czy później znikają. Antyprotony kierowane są do dodatkowego pierścienia magnetycznego, gdzie są ogniskowane, a  potem przenoszone do pierścienia akumulacyjnego. Oba te pierścienie mają po około 160 metrów obwodu i  przechowują antyprotony o  energii 8 GeV, takiej samej, jaką mają protony w  akceleratorze wspomagającym. Potrzeba 5–10 godzin, aby zgromadzić antyprotony potrzebne do wstrzyknięcia do układu akceleratorowego. Z  przechowywaniem antymaterii wiąże się pewien subtelny problem, ponieważ cała nasza aparatura, wszystkie urządzenia zrobione są z  materii (a  z  czegóż by innego?). Jeśli antymateria spotkałaby się z  materią, doszłoby do anihilacji. Dlatego musimy szczególnie starannie utrzymywać antyprotony na orbicie położonej możliwie jak najbliżej centrum komory próżniowej. A  i  jakość tej próżni musi być nadzwyczajna – powinniśmy dysponować najlepszym „nic” dostępnym na rynku.
       Po około dziesięciu godzinach akumulowania i  sprężania jesteśmy już gotowi do wstrzyknięcia antyprotonów z  powrotem do akceleratora, z  którego pochodzą. Trzeba w  tym celu przejść przez skomplikowaną procedurę przypominającą odliczanie przed startem statku kosmicznego. Chodzi o  to, by każde napięcie, każde natężenie, każdy magnes i  każdy przełącznik był dokładnie w  takim stanie, jak należy. Antyprotony wpadają do głównego pierścienia, gdzie dzięki swemu ujemnemu ładunkowi krążą w  kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Są przyspieszane do energii 150 GeV i  zręcznie przemieszczane – znów tunelami magnetycznymi – do nadprzewodzącego pierścienia tewatronu. Tu cierpliwie czekają protony, wstrzyknięte z  akceleratora wspomagającego za pośrednictwem głównego pierścienia. Protony niezmordowanie krążą w  zwykły sobie sposób, zgodnie z  ruchem wskazówek zegara. Mamy więc teraz dwie wiązki mknące w  pierścieniu o  obwodzie 6,5 km. Każda wiązka składa się z  sześciu garstek, z  których każda zawiera około 1012 protonów (antyprotonów w  garstce jest nieco mniej).
       Obie wiązki są przyspieszane od 150 GeV – energii, którą uzyskały w  głównym pierścieniu – aż do 900 TeV – maksymalnej energii osiągalnej w  tewatronie. Ostatni etap to „ściskanie”. Ponieważ wiązki krążą w  przeciwnych kierunkach w  tej samej, niewielkiej komorze próżniowej, bez wątpienia ich ścieżki przecinały się już podczas fazy przyspieszania. Jednak ich gęstość jest tak niewielka, że zderzenia są bardzo sporadyczne. Włączenie specjalnego magnesu kwadrupolowego rozpoczyna fazę „ściskania”: przekrój wiązki zmniejsza się od paru milimetrów (średnica słomki do napojów) do paru mikrometrów (średnica ludzkiego włosa). Teraz, gdy wiązki się mijają, za każdym razem zachodzi przynajmniej jedno zderzenie. Magnesy reguluje się w  ten sposób, by zderzenia odbywały się w  samym środku detektorów. Reszta należy właśnie do nich.
       Gdy wszystko przebiega już regularnie i  zgodnie z  planem, włącza się detektory i  rozpoczyna zbieranie danych. Zazwyczaj trwa ono przez 10–20 godzin, a  w  tym czasie akumulują się nowe antyprotony. Z  biegiem czasu wiązki protonów i  antyprotonów się zużywają, stają się coraz rzadsze, co powoduje, że zmniejsza się częstość zderzeń. Gdy świetlność (liczba zderzeń na sekundę) spada do około 30 procent maksymalnej wartości i  jeśli nazbierało się już dostatecznie dużo nowych antyprotonów w  pierścieniu akumulacyjnym, wyrzuca się zużyte wiązki i  rozpoczyna się kolejne odliczanie w  stylu NASA. Napełnianie akceleratora nowymi cząstkami trwa około pół godziny. Uważa się, że potrzeba co najmniej 200 miliardów antyprotonów, by warto było rozpoczynać nowy cykl zderzeń, a  im więcej się ich zgromadzi, tym lepiej. W  akceleratorze antyprotony spotykają około 500 miliardów znacznie łatwiej dostępnych protonów, biorąc w  efekcie udział w  około 100 tysiącach zderzeń na sekundę. Usprawnienia wszystkich faz opisywanego procesu, których wdrożenie planuje się na lata dziewięćdziesiąte, mogą doprowadzić do dziesięciokrotnego zwiększenia powyższych liczb.
       W  roku 1990 akcelerator w  CERN przeszedł na zasłużony odpoczynek, ustępując pola Fermilabowi i  jego dwóm potężnym detektorom.
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