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


  Poszukiwanie wybrzuszeń
 
Poszukiwanie wybrzuszeń
 
N
o tak, ale to wciąż było tylko gadanie teoretyków. W  różnych publikowanych później relacjach z  przebiegu Rewolucji Listopadowej próbowano dawać do zrozumienia, że eksperymentatorzy urabiali sobie ręce po łokcie, aby za wszelką cenę zweryfikować idee teoretyków. Nic podobnego. Badali tylko teren – to tu, to tam. W  wypadku fizyków z  Brookhaven, ich eksperyment sprowadzał się do polowania na wybrzuszenia: do poszukiwania nieoczekiwanych danych, które mogłyby wskazywać na jakieś nowe zjawisko – a  więc czegoś, co pozwoliłoby podważyć całą teorię, a  nie ją ugruntować.
       Podczas gdy Glashow, Gaillard i  inni rozprawiali o  powabie, fizyka eksperymentalna zajmowała się swoimi własnymi problemami. Współzawodnictwo między akceleratorami elektronowo-pozytonowymi i  protonowymi rozgorzało już wtedy na dobre. Leptonowcy wiedli ożywioną debatę z  hadronowcami. Wprawdzie elektrony nie wskórały wiele, ale trzeba było słyszeć tę propagandę! Ponieważ uważa się, że elektrony są cząstkami pozbawionymi struktury, przyjmuje się, iż mogą one zapewnić „czyste” warunki początkowe: elektrony i  pozytony zmierzają ku sobie w  czarnej skrzynce. Jasne i  proste. Zgodnie z  modelem opisującym te zderzenia, pierwszym etapem jest kolizja cząstki z  antycząstką; w  wyniku zderzenia powstaje foton o  energii równej sumie energii obu cząstek.
       Foton żyje bardzo krótko, szybko materializuje się w  postaci par cząstek o  stosownej masie, spinie i  innych liczbach kwantowych, wymaganych przez zasady zachowania. Cząstki te opuszczają rejon czarnej skrzynki i  zazwyczaj możemy obserwować: (1) elektron i  pozyton, (2) parę mion-antymion albo (3) rozmaite hadrony w  przeróżnych kombinacjach zależnych od warunków początkowych – energii i  własności kwantowych fotonu. Bogactwo możliwych stanów końcowych wywodzących się od prostego stanu początkowego przemawia na korzyść tej techniki.
       Porównaj to, drogi Czytelniku, ze zderzeniem dwóch protonów. Każdy proton to trzy kwarki, które wywierają na siebie nawzajem silne oddziaływanie. Oznacza to, że w  szybkim tempie wymieniają między sobą gluony, cząstki przenoszące silne oddziaływanie (zapoznamy się z  nimi poźniej). Żeby jeszcze bardziej skomplikować obraz naszego protonu, po drodze od, powiedzmy, kwarka u  do kwarka d  gluon może na moment zapomnieć o  swej misji i  zmaterializować się (tak jak foton) w  postaci pary kwark-antykwark, powiedzmy: s  i  s. Kwarki te pojawiają się przelotnie, bo gluon musi szybko się pozbierać i  dać się pochłonąć, ale przecież i  tak zdążą skomplikować sprawę.
       Fizycy, którzy utknęli przy urządzeniach wykorzystujących elektrony, pogardliwie nazywali proton śmietnikiem i  zderzenia protonu z  protonem albo protonu z  antyprotonem przedstawiali – nie bez racji – jako zderzenia dwóch śmietników, z  których wylatują skorupki od jajek, skórki od bananów, fusy po kawie i  podarte kupony totolotka.
       Na przełomie lat 1973/1974 zbieranie danych rozpoczął stanfordzki akcelerator elektronów i  pozytonów, zwany SPEAR. I wówczas natrafiono na niewytłumaczalne zjawisko. Wyglądało na to, że liczba zderzeń, w których  wyniku powstawały hadrony, była większa od przewidywanej teoretycznie. Cała historia wyglądała bardzo skomplikowanie i  niezbyt interesująco aż do października 1974 roku. Fizycy ze SLAC pod kierownictwem Burtona Richtera, będącego (zgodnie z  odwieczną tradycją szefów grup) akurat na wakacjach, zaczęli zdawać sobie sprawę z  ciekawego efektu, który pojawiał się, gdy suma energii zderzających się cząstek sięgała 3 GeV, czyli dość sugestywnej wielkości, jak może, drogi Czytelniku, pamiętasz.
       Pikanterii całej tej sprawie dodawało to, że pięć tysięcy kilometrów na wschód, w  Brookhaven, grupa z  MIT powtarzała nasz dimionowy eksperyment z  1967 roku. Kierował nim Samuel C. C. Ting. Krążą o  nim plotki, że był liderem skautów na Tajwanie. Zrobił doktorat w  Michigan, staż doktorski odbył w  CERN i  na początku lat sześćdziesiątych dołączył do mojej grupy jako starszy asystent na Uniwersytecie Columbia.
       Ting był bardzo skrupulatnym, porządnym i  dobrze zorganizowanym doświadczalnikiem. Pracował ze mną w  Columbia przez kilka lat, następnie w  laboratorium DESY pod Hamburgiem, a  potem został profesorem w  MIT. Szybko stał się w  fizyce cząstek elementarnych siłą (piątą? szóstą?), z  którą należało się liczyć. W  liście polecającym, jaki dla niego napisałem, specjalnie podkreślałem niektóre jego słabsze strony – znana sztuczka w  takich wypadkach – by zakończyć całość stwierdzeniem: „Ting – tak ważny w  fizyce jak smak słodko-kwaśny w  chińskiej kuchni”. Prawdę mówiąc, żywiłem w  stosunku do niego swego rodzaju urazę, której źródło tkwiło w  czasach, gdy mój ojciec prowadził małą pralnię. Jako dziecko nasłuchałem się wielu historii na temat chińskiej konkurencji z  naprzeciwka. Od tego czasu każdy chiński fizyk sprawiał, że robiłem się niespokojny.
       Gdy Ting pracował w  elektronowym laboratorium DESY, stał się ekspertem od analizowania par elektron-pozyton, pochodzących ze zderzeń elektronów, i  zdecydował, że korzystniejsza będzie detekcja par elektronów w  eksperymencie Drella-Yana; przepraszam, chciałem powiedzieć w  dileptonowym eksperymencie Tinga. A  zatem w  roku 1974 w  Brookhaven Ting wykorzystywał (w odróżnieniu od konkurencji ze SLAC, pracującej z  elektronami i  pozytonami) wysokoenergetyczne protony skierowane na stacjonarną tarczę i  za pomocą najnowszej aparatury analizował pary elektron-pozyton wyłaniające się z  czarnej skrzynki. Dysponował znacznie precyzyjniejszymi detektorami niż to prymitywne urządzenie, które sami zmontowaliśmy siedem lat wcześniej. Za pomocą komór drutowych Charpaka mógł dokładnie określić masę fotonu wirtualnego czy czegokolwiek innego, co dało początek obserwowanej parze elektron-pozyton. Ponieważ zarówno elektron, jak i  mion są leptonami, tylko od ciebie zależy, które z  nich postanowisz wykrywać. Ting polował więc na wybrzuszenia, raczej rozglądał się w  poszukiwaniu nowego zjawiska, niż próbował zweryfikować nową hipotezę. „Z  przyjemnością mogę pójść z  teoretykiem do chińskiej restauracji na obiad – stwierdził kiedyś Ting – ale robienie tego, o  czym oni mówią, to zupełna strata czasu”. Trudno sobie wyobrazić kogoś o  bardziej odpowiedniej osobowości dla odkrycia kwarka powabnego.
       Zrządzeniem losu eksperymenty w  Brookhaven i  SLAC doprowadziły do tego samego odkrycia, ale aż do dziesiątego listopada 1974 roku obie grupy nic o  sobie nawzajem nie wiedziały. Co łączy te dwa doświadczenia? W  eksperymencie w  SLAC elektron zderza się z  pozytonem. W  pierwszej fazie tego zderzenia powstaje wirtualny foton. W  eksperymencie z  Brookhaven na początku mamy niesłychanie skomplikowaną sytuację, ale tu obserwuje się te fotony tylko wtedy, gdy wyłonią się już z  czarnej skrzynki i  przemienią się w  parę elektron-pozyton. A  zatem w  obu eksperymentach chodziło o  fotony, które przejściowo mogą mieć dowolną masę/energię, zależną od siły zderzenia. Wielokrotnie wypróbowany model tego, co dzieje się podczas zderzeń w SLAC, mówi, że powstaje wtedy foton, który następnie przemienia się w  hadrony: trzy piony albo pion i  dwa kaony, albo proton, antyproton i  dwa piony, albo kilka mionów czy elektronów i  tak dalej. Mamy tu wiele możliwości, w  zależności od początkowej energii, spinu, pędu i  innych zmiennych.
       Dlatego też, jeśli istnieje coś, co ma masę mniejszą od sumy energii dwóch zderzających się wiązek, to także może powstać na skutek tego zderzenia. A  nawet jeśli to „coś” ma te same liczby kwantowe co foton, to może zdominować reakcję w  wypadku, gdy suma energii zderzających się cząstek jest dokładnie równa masie tego czegoś. Mówiono mi, że dźwięk o pewnej określonej wysokości i sile zaśpiewany przez tenora może doprowadzić do pęknięcia szklanki. Nowe cząstki powstają w  ten sam sposób.
       W  wersji eksperymentu z  Brookhaven akcelerator posyła proton w  nieruchomą tarczę; w  danym wypadku w  niewielki kawałek berylu. W  chwili gdy stosunkowo duży proton uderza w  stosunkowo duże jądro berylu, może się zdarzyć – i  rzeczywiście się zdarza – wiele ciekawych rzeczy. Kwark uderza w  kwark, kwark uderza w  antykwark, kwark uderza w  gluon, gluon uderza w  gluon. Niezależnie od tego, jaką energię akcelerator nadaje protonowi, są to zderzenia o  znacznie mniejszej energii, bo kwarki – składniki protonu – dysponują tylko częścią jego całkowitej energii. Dlatego też pary leptonów rejestrowane przez Tinga wyłaniały się z  maszyny z  przypadkowymi energiami. Zaletą tak skomplikowanego stanu początkowego jest to, że z  określonym prawdopodobieństwem można wyprodukować wszystko, co tylko się da przy danej energii. Strasznie dużo może się zdarzyć podczas zderzenia dwóch śmietników. Niestety, nowych rzeczy trzeba szukać na wielkiej stercie rupieci. Żeby przekonująco udowodnić istnienie nowej cząstki, potrzeba wielu cykli eksperymentalnych. I  jeszcze potrzebny jest dobry detektor. Na szczęście Ting miał istne cacuszko.
       Wręcz przeciwnie rzecz się miała ze SPEAR w  SLAC. Tam zderzały się elektrony z  pozytonami. Proste. Punktowe cząstki – materia z  antymaterią – zderzają się i  anihilują. Materia zmienia się w  czyste światło – foton wirtualny. Ta paczuszka energii z  kolei przekształca się w  materię. Jeśli obie wiązki mają, powiedzmy, 1,5525 GeV, to w  każdym zderzeniu uczestniczy dokładnie dwa razy tyle energii – 3,105 GeV. I  jeśli istnieje cząstka o  tej właśnie masie, to powstanie w  miejsce fotonu. Prawie że nie ma wyjścia: trzeba dokonać odkrycia. Wszystkie zderzenia mają jednakową, z  góry określoną energię. By ją zmienić, fizycy muszą przestawić magnesy i  wyregulować mnóstwo innych rzeczy. Fizycy na Uniwersytecie Stanforda nauczyli się bardzo precyzyjnie dobierać energię maszyny, znacznie precyzyjniej, niż zakładał to pierwotny projekt tego urządzenia, co było podziwu godnym osiągnięciem technicznym. Szczerze mówiąc, nie sądziłem, że im się to uda. Wadą tego typu urządzeń jest to, że trzeba bardzo powoli, w  minimalnych odstępach przemierzać całe obszary energii. Z  drugiej strony, jeśli się trafi na właściwą energię – albo jeśli się ma dostęp do poufnych informacji, i  o  to właśnie rozgorzał cały spór – w  ciągu kilku godzin można odkryć nową cząstkę.
       Wróćmy na moment do Brookhaven. W  latach 1967–1968, gdy zaobserwowaliśmy dziwne ramię dimionowe, mierzyliśmy cząstki o  energii od 1 GeV do 6 GeV. Przy 6 GeV liczba par mionów była milion razy mniejsza niż przy 1 GeV. Przy 3 GeV liczba otrzymywanych par mionów wyraźnie się zwiększała aż do mniej więcej 3,5 GeV, kiedy to znowu pojawiła się silna tendencja spadkowa. W  roku 1967, gdy przygotowywaliśmy się do opublikowania danych, długo się spieraliśmy – „my” to znaczy siedmiu autorów eksperymentu – jak zinterpretować to ramię. Czy była to cząstka, której przejawy zniekształcił wpływ detektora? Czy nowy proces fizyczny, w  którym wirtualne fotony powstają w  innych niż dotąd ilościach? W  1969 roku nikt nie wiedział, jak powstają pary mionów. Zdecydowałem, że dane nie były dostatecznie wiarygodne, żeby ogłosić odkrycie.
       No cóż, w  spektakularnej konfrontacji w  dniu 11 listopada 1974 okazało się, że obie grupy – ze SLAC i  z  Brookhaven – dysponują wyraźnymi danymi na temat wzmocnienia w  rejonie 3,105 GeV. Gdy w  SLAC nastawiono urządzenie na tę właśnie energię (co samo w  sobie jest niemałym wyczynem!), liczniki rejestrujące zderzenia oszalały: stokrotnie wzrosła liczba rejestrowanych kolizji; opadała ona z  powrotem do poziomu wyjściowego, gdy akcelerator nastawiano na 3,100 lub 3,120 GeV. Trudno było znaleźć tę cząstkę z  powodu bardzo małej szerokości rezonansu. Już przedtem sprawdzano ten zakres energii w  czasie trwania eksperymentu, ale zjawiska nie dostrzeżono. W  danych Tinga z  Brookhaven dokładne pomiary par leptonów wskazywały na istnienie wyraźnego wzgórka w  pobliżu 3,10 GeV. On także stwierdził, że wzgórek ten może oznaczać tylko jedno – odkrycie nowego stanu materii.
       Po ogłoszeniu wyników rozgorzała bardzo ostra dyskusja na temat tego, kto był pierwszy? Oskarżenia i  plotki latały w  tę i  z  powrotem. Jeden z  zarzutów głosił, że naukowcy ze SLAC znali wstępne wyniki Tinga i  dlatego wiedzieli, gdzie szukać nowej cząstki. Druga strona utrzymywała, że na początku wzgórek Tinga nie był przekonujący i  został dopracowany dopiero w  ciągu paru godzin dzielących ogłoszenie wyników SLAC od oświadczenia Tinga. Grupa ze SLAC nazwała swoją cząstkę psi (Y). Ting nadał jej imię J. Obecnie nazywa się ją J/Y  lub J/psi. W  środowisku fizyków zapanowała znowu miłość i  harmonia. Mniej więcej.
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