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


  Kłopoty z pęcherzykami
 
Kłopoty z pęcherzykami
 
Z
astosowanie komory pęcherzykowej, wynalezionej w  połowie lat pięćdziesiątych przez Donalda Glasera z  Uniwersytetu Stanu Michigan, stanowiło następne znaczne usprawnienie techniki wykrywania cząstek. Pierwsza komora pęcherzykowa była po prostu małym naczynkiem zawierającym ciekły eter. Ewolucji komór wykorzystujących ciekły wodór aż do rozmiarów pięciometrowego monstrum, które zakończyło swą działalność w  roku 1987 w  Fermilabie, przewodził słynny Luis Alvarez z  Uniwersytetu Kalifornijskiego.
       W  wypełnionej cieczą (często jest to ciekły wodór) komorze wzdłuż toru przelatującej cząstki tworzą się maleńkie pęcherzyki. Wskazują one na to, że rozpoczął się proces wrzenia, wywołany nagłym, gwałtownym zmniejszeniem ciśnienia w  cieczy. Zmniejszenie ciśnienia powoduje, że temperatura cieczy jest wyższa niż jej temperatura wrzenia, która zależy od ciśnienia. (Możemy się zetknąć z  tym zjawiskiem, próbując ugotować jajko w  wysokogórskim schronisku. Przy obniżonym ciśnieniu, jakie panuje na szczytach gór, woda wrze w  temperaturze znacznie niższej niż 100°C). Czysta ciecz, choćby była nie wiadomo jak gorąca, wrze bardzo niechętnie. Na przykład olej rozgrzany w  głębokim garnku do temperatury wyższej niż jego normalna temperatura wrzenia nie będzie wrzał, o  ile tylko i  olej, i  garnek są naprawdę czyste. Ale gdy tylko wrzucimy jeden kawałek ziemniaka, olej zacznie gwałtownie wrzeć. Tak więc, aby otrzymać pęcherzyki potrzebne są dwie rzeczy: temperatura wyższa niż punkt wrzenia i  jakieś zanieczyszczenia, wokół których mogłyby się formować pęcherzyki. W  komorze pęcherzykowej ciecz osiąga stan przegrzania na skutek gwałtownego spadku panującego w  komorze ciśnienia. Naładowana cząstka, biorąc udział w  licznych delikatnych zderzeniach z  atomami cieczy, pozostawia za sobą sznur pobudzonych atomów, które po obniżeniu ciśnienia staną się idealnymi zarodkami dla formowania się pęcherzyków. Jeśli nadlatująca cząstka zderza się z  protonem (jądrem wodoru) wewnątrz komory, można prześledzić wszystkie naładowane cząstki będące produktami tego zderzenia. Ponieważ ośrodkiem jest tu ciecz, niepotrzebne są płytki gęstego materiału i  wyraźnie widać sam punkt zderzenia. Naukowcy na całym świecie zrobili miliony zdjęć zderzeń w  komorach pęcherzykowych, a  w  analizie tych fotografii pomagają im automatyczne skanery.
       Cały proces polega więc na tym, że akcelerator posyła w  kierunku komory pęcherzykowej wiązkę cząstek. Jeśli są to cząstki naładowane, w  komorze zaczyna się formować 10 lub 20 śladów. W  ciągu około jednej milisekundy od przejścia cząstki tłok w  komorze zostaje szybko przesunięty do góry, obniżając w  ten sposób ciśnienie i  inicjując formowanie się pęcherzyków. Po upływie kolejnej milisekundy, podczas której rozrastają się pęcherzyki, rozbłyska śwatło flesza, przesuwa się film w  aparacie i  jesteśmy gotowi na powtórzenie całej procedury od początku.
       Mówi się, że pomysł zastosowania pęcherzyków zaświtał Glaserowi (który po otrzymaniu Nagrody Nobla za ten wynalazek niezwłocznie został biologiem) podczas obserwacji piany w  kuflu piwa. Dodanie odrobiny soli do napitku powodowało wyraźne zwiększenie ilości piany. Tak oto bary okolic Ann Arbor w  stanie Michigan odegrały istotną rolę w  stworzeniu jednego z  najlepszych przyrządów stosowanych podczas poszukiwań Boskiej Cząstki.
       W  analizie zderzeń najważniejsze są dwa czynniki: przestrzeń i  czas. Chcielibyśmy zarejestrować trajektorię cząstki w  przestrzeni i  dokładny czas jej przelotu. Na przykład: cząstka wpada do detektora, zatrzymuje się, rozpada i  daje początek wtórnej cząstce. Dobrym przykładem zatrzymującej się cząstki jest mion, który może rozpaść się na elektron pojawiający się w  około milionową część sekundy po zatrzymaniu się mionu. Im precyzyjniejszy detektor, tym więcej informacji dostarcza. Komory pęcherzykowe są znakomitymi narzędziami pozwalającymi na analizę przestrzenną zderzenia. Cząstki pozostawiają ślady, które możemy zlokalizować z  dokładnością do jednego milimetra. Nie dostarczają jednak żadnych informacji na temat czasu zdarzeń.
       Liczniki scyntylacyjne pozwalają lokalizować cząstki zarówno w  czasie, jak i  w  przestrzeni. Naładowana cząstka, która wpada do licznika wykonanego ze specjalnego tworzywa, powoduje błysk światła. Liczniki owinięte są czarną światłoczułą folią i  każdy maleńki błysk przekazywany jest do elektronicznego fotopowielacza, który przetwarza sygnał informujący o  przejściu cząstki w  wyraźny impuls elektroniczny. Gdy ten impuls zostaje nałożony na ciąg sygnałów zegara elektronicznego, można określić przybycie cząstki z  dokładnością do paru miliardowych sekundy. Jeśli zastosuje się kilka takich warstw scyntylacyjnych, przejście cząstki spowoduje powstanie kilku impulsów, opisujących jej trajektorię w  przestrzeni. Dokładność określania położenia w  przestrzeni zależy od rozmiarów licznika, ale zazwyczaj sięga ona kilku centymetrów.
       Ogromnym przełomem było wprowadzenie proporcjonalnej komory drutowej (Proportional Wire Chamber – PWC) – wynalazku niezwykle twórczego Francuza z  CERN, Georgesa Charpaka. Był on bohaterem francuskiego ruchu oporu w  czasie drugiej wojny światowej i  więźniem obozu koncentracyjnego. Po wojnie stał się wybitnym wynalazcą urządzeń detekcyjnych. Jego PWC to genialne i  bardzo „proste” urządzenie, składające się z  ramy, na której jest rozpięta drobniutka drabinka cieniutkich drucików odległych jeden od drugiego o  kilka milimetrów. Rama ma zazwyczaj rozmiary 60 cm x  120 cm;  mieści się na niej kilkaset drucików przymocowanych równolegle do krótszego boku. Napięcia elektryczne są tak dobrane, że cząstka przelatująca w  pobliżu drucika wytwarza w  nim impuls elektryczny, który jest rejestrowany. Dokładne określenie położenia pobudzonego drutu pozwala zlokalizować jeden punkt na trajektorii cząstki. Czas przejścia cząstki otrzymuje się przez porównanie z  zegarem elektronicznym. Dzięki kolejnym ulepszeniom obecnie można określać położenie cząstki w  czasie i  przestrzeni z  dokładnością do mniej więcej 0,1 mm i  10–8 s. Mając wiele takich ram włożonych do szczelnej skrzyni wypełnionej stosownym gazem, można dokładnie prześledzić tor ruchu cząstki. Ponieważ taka komora jest czynna tylko przez bardzo krótki okres, przypadkowe zdarzenia pojawiające się w  tle są wytłumiane i  można stosować bardzo intensywne wiązki. PWC jest częścią każdego większego eksperymentu, jaki przeprowadzono gdziekolwiek od 1970 roku. W roku 1992 Charpak (sam!) otrzymał Nagrodę Nobla za ten wynalazek.
       Wszystkie te rodzaje czujników, a  także wiele innych, wchodzą w  skład wyrafinowanych detektorów stosowanych w  latach dziewięćdziesiątych. CDF w  Fermilabie jest typowym przedstawicielem najbardziej skomplikowanych detektorów. Wysoki na trzy piętra, ważący 500 ton i  wybudowany kosztem 60 milionów dolarów służy do obserwacji zachodzących w  tewatronie zderzeń między protonami a  antyprotonami. Około stu tysięcy czujników – do których należą liczniki scyntylacyjne i  proporcjonalne komory drutowe – misternie ze sobą połączonych i  współpracujących przekazuje strumienie informacji w  postaci impulsów elektronicznych do układu, który porządkuje, filtruje i  wreszcie rejestruje dane przeznaczone do dalszych analiz.
       Podobnie jak w  wypadku wszystkich tego typu detektorów, napływ informacji jest tak wielki, że nie sposób opracowywać je na bieżąco. Dlatego przetwarzane są do postaci cyfrowej, porządkowane i  przygotowywane do zapisu na taśmie magnetycznej. Komputer musi zdecydować, które zderzenia są „interesujące”, a  które nie, ponieważ w  tewatronie w  każdej sekundzie zachodzi ich blisko 100 tysięcy, a  oczekuje się, że liczba ta wzrośnie wkrótce do miliona. Większość tych zderzeń nie kryje w  sobie nic ciekawego. Klejnotami są te, w  których kwark ukryty w  protonie naprawdę łupnie w  antykwark albo nawet w  gluon w  antyprotonie. Takie „twarde” zderzenia są jednak bardzo rzadkie.
       Układ opracowujący dane ma mniej niż milionową część sekundy na zbadanie każdego zderzenia i  podjęcie brzemiennej w  skutki decyzji: czy jest ono interesujące? Takie tempo byłoby paraliżujące dla człowieka, ale nie dla komputera. Wszystko jest względne. W  jednym z  dużych miast gang ślimaków napadł i  obrabował żółwia. Pytany przez policję poszkodowany odpowiadał: „Nie wiem, to wszystko zdarzyło się tak szybko!”
       Żeby ułatwić podejmowanie decyzji, wprowadzono hierarchiczny system selekcji zderzeń. Eksperymentatorzy programują komputery w  ten sposób, aby uwzględniały one rozmaite „wyzwalacze” – wskazówki mówiące układowi, które zderzenia powinien rejestrować. Na przykład za typowy „wyzwalacz” uznaje się zdarzenie, podczas którego detektor rejestruje dużą ilość energii, ponieważ jest większe prawdopodobieństwo, że nowe zjawiska pojawią się przy wysokich energiach. Określanie tych cech zdarzenia, które mają służyć komputerowi jako wyzwalacze jest bardzo delikatną robotą. Określ je zbyt szeroko, a  przeciążysz pojemność pamięci układów rejestrujących. Zawęż je, a  okaże się, że przegapiłeś jakieś ciekawe zjawiska albo że cały eksperyment poszedł na marne. Niektóre wyzwalacze zadziałają, gdy elektron o  wysokiej energii wyłoni się ze zderzenia, inne – kiedy cząstki opuszczające rejon zderzenia będą miały postać wąskiego strumienia i  tak dalej. Zazwyczaj 10–20 różnych rodzajów cech zderzenia może uruchomić dany wyzwalacz. Całkowita liczba zderzeń przepuszczonych przez to pierwsze sito może wynosić 5–10 tysięcy na sekundę. Liczba ta pozwala już pomyśleć i  zbadać – robi to, oczywiście, komputer – wszystkie kandydatury bardziej dokładnie. Czy naprawdę chcemy zarejestrować to zdarzenie? Analiza tego typu przebiega na czterech lub pięciu poziomach, aż wreszcie do zarejestrowania zostaje zakwalifikowanych 5–10 zdarzeń na sekundę.
       Każde z  nich zapisywane jest na taśmie magnetycznej ze wszystkimi szczegółami. Często się zdarza, że na etapie selekcji zbieramy także próbki – powiedzmy jedno na sto – zdarzeń odrzuconych, aby upewnić się, czy nie zaprzepaszczamy jakichś ważnych informacji. Cały ten system zbierania danych (Data Acquisition System – DAQ) możliwy jest dzięki bezbożnemu aliansowi między fizykami, którzy myślą, że wiedzą, czego chcą, inżynierami elektronikami, którzy z  całych sił pragną ich zadowolić, i, oczywiście, dzięki rewolucji w  mikroelektronice wykorzystującej osiągnięcia przemysłu półprzewodnikowego.
       Zbyt wielu geniuszy pracowało nad technologiczną stroną tego całego przedsięwzięcia, by można było ich tu wymienić. Jednak według mojej subiektywnej opinii jednym z  naprawdę wyjątkowych nowatorów był skromny inżynier, który działał w  przybudówce przy laboratorium Nevis, gdzie się kształciłem. William Sippach wyraźnie przerastał swych zleceniodawców, fizyków. My złożyliśmy zamówienia, a  on zaprojektował i  zbudował DAQ. Nie raz zdarzało nam się dzwonić do niego o  trzeciej nad ranem, bo właśnie natknęliśmy się na poważne ograniczenie w  jego (zawsze było „jego”, kiedy mieliśmy problemy) układzie elektronicznym. Wysłuchiwał nas spokojnie, a  potem mówił: „Widzisz mikroprzełącznik pod pokrywą szesnastego stelaża? Przełącz go i  będzie po problemie. Dobranoc”. Sława Sippacha rozeszła się po świecie i  zazwyczaj w  każdym tygodniu można było spotkać gości z  New Haven, Palo Alto, Genewy czy Nowosybirska, którzy wpadali, żeby z  nim pogadać.
       Sippach i  wielu innych, którzy przyczynili się do rozwoju tych skomplikowanych systemów, są kontynuatorami wspaniałej tradycji zrodzonej w  latach trzydziestych i  czterdziestych, kiedy wynaleziono obwody używane w  pierwszych detektorach cząstek.Te z  kolei stały się istotnymi składnikami cyfrowych komputerów pierwszej generacji. A  z  nich zrodziły się lepsze akceleratory i  detektory, które z  kolei dały początek...
       W  całym tym interesie wszystko opiera się na detektorach.
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