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 SŁABYM
 
JESZCZE O ODDZIAŁYWANIU SŁABYM
 
W
latach siedemdziesiątych zebrano mnóstwo danych o  rozpadach nietrwałych hadronów. Zjawisko to stanowi przykład reakcji, w  której uczestniczą kwarki tworzące hadron: kwark u  zmienia się w    albo na odwrót. Jeszcze bardziej pouczające były wieloletnie eksperymenty z  rozpraszaniem neutrin. Zebrane dane świadczyły o  istnieniu trzech masywnych nośników oddziaływania słabego: W+, W i  Z0. Masa tych cząstek musi być spora, gdyż oddziaływanie słabe ma bardzo niewielki zasięg, nie większy niż 10–19 metra. Teoria kwantowa nakłada ścisłe ograniczenia, według których zasięg oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalny do masy cząstki przenoszącej oddziaływanie. Siła elektromagnetyczna sięga w  nieskończoność (chociaż słabnie wraz ze wzrostem odległości), a  jej nośnikiem jest foton o  zerowej masie.
       Ale dlaczego aż trzy nośniki? Dlaczego potrzebne są trzy cząstki – jedna naładowana dodatnio, druga ujemnie, a  trzecia obojętna – by mogło rozprzestrzeniać się pole, które wywołuje zmiany rodzaju kwarków? Aby to wyjaśnić, będziemy musieli zająć się trochę fizyczną księgowością i  przypilnować, żeby po obu stronach strzałki () wszystko się zgadzało; również znaki ładunku elektrycznego. Jeśli cząstka elektrycznie obojętna rozpada się na cząstki naładowane, to ładunki dodatnie muszą zrównoważyć ładunki ujemne.
       Rozpad neutronu na proton – typowy proces zachodzący za pośrednictwem oddziaływania słabego – przebiega następująco:
n p++ e+ ne
       Już to widzieliśmy: neutron rozpada się na proton, elektron i  antyneutrino elektronowe. Zauważ, drogi Czyteniku, że dodatni ładunek protonu został zrównoważony ujemnym ładunkiem elektronu, a  antyneutrino jest obojętne. Wszystko się zgadza. Ale to jest bardzo powierzchowny opis tej reakcji – jak obserwowanie jajka, z  którego ma się wylęgnąć sójka – gdyż nie wiadomo, co się dzieje w  środku. Neutron jest w  rzeczywistości konglomeratem trzech kwarków – jednego u oraz  dwóch d (udd); proton składa się z  dwóch u i  jednego d (uud). Toteż gdy neutron rozpada się na proton, kwark d zmienia się w  kwark u. Dlatego bardziej pouczające jest zajrzenie do wnętrza neutronu i  opisanie tego, co dzieje się z  kwarkami. W  języku kwarków tę samą reakcję zapisujemy następująco:
d u + e+ ne
       A  zatem kwark d w  neutronie zmienia się w  u  i  emituje przy tym elektron oraz antyneutrino elektronowe. Jednak to też jest nadmiernie uproszczona wersja rzeczywistych wydarzeń! Elektron i  antyneutrino nie pochodzą bezpośrednio z  kwarka d. Zachodzi reakcja pośrednia, w  której uczestniczy W. Teoria kwantowa oddziaływania słabego zapisuje więc proces rozpadu neutronu w  dwóch etapach:
(1) d–1/3 W + u+2/3,
       a  potem
(2) W e + ne.
       Zauważ, drogi Czytelniku, że kwark dolny rozpada się najpierw na W i  kwark u. Dopiero potem W rozpada się na elektron oraz  antyneutrino elektronowe. Cząstka W  pośredniczy w  przekazywaniu oddziaływania słabego i  uczestniczy w  reakcjach rozpadu. W opisanej reakcji W  musi mieć ładunek ujemny, by zrównoważyć zmianę ładunku towarzyszącą przemianie kwarka u w  d. Jeśli do ładunku kwarka u, równego +2/3, dodamy ładunek cząstki W , równy –1, otrzymamy –1/3, czyli ładunek kwarka d, który zapoczątkował całą tę reakcję. Wszystko się zgadza.
       W  jądrze kwarki u mogą także ulegać rozpadowi na kwark d, przekształcając proton w  neutron. W  języku kwarków proces ten opisujemy następująco: u W+ + d, a  potem: W+ e+ + ne. W tym wypadku potrzebujemy dodatniej cząstki W, by zbilansować zmianę ładunku. Z  tego właśnie powodu obserwowane rozpady kwarków – poprzez przemianę protonu w  neutron i  na odwrót – wymagają istnienia zarówno W, jak i  W+. Ale to jeszcze nie wszystko.
       Eksperymenty przeprowadzone w  połowie lat siedemdziesiątych z  udziałem wiązek neutrin pozwoliły stwierdzić obecność tak zwanych prądów neutralnych, które z  kolei wymagały istnienia ciężkiego, neutralnego nośnika oddziaływania. Bodźcem do przeprowadzenia tych doświadczeń były prace takich teoretyków, jak Glashow, którzy pracowali nad unifikacją wszystkich rodzajów oddziaływań. Uczeni ci nie chcieli się pogodzić z  tym, że do przenoszenia oddziaływania słabego wystarczą tylko cząstki naładowane. Rozpoczęto więc polowanie na prądy neutralne.
       Prądem może być w  zasadzie wszystko, co płynie. Prąd wody płynie w  rzece lub w  rurze wodociągowej. Prąd elektronów płynie w  przewodzie lub w  roztworze. Cząstki W i  W+ pośredniczą przy przepływie cząstek z  jednego stanu do drugiego. Pojęcie prądu w  odniesieniu do tych cząstek zrodziło się zapewne na skutek potrzeby śledzenia ładunków elektrycznych. W+ pośredniczy w  przepływie prądu dodatniego, W zaś w  przepływie prądu ujemnego. Prądy te można badać w  zachodzących spontanicznie słabych rozpadach, takich jak te, które nieco wcześniej opisałem. Mogą one jednak także powstawać w  akceleratorach – podczas zderzeń wiązek neutrin, które nauczono się uzyskiwać dzięki dwuneutrinowemu eksperymentowi w  Brookhaven.
       Przyjrzyjmy się, co się dzieje, gdy neutrino mionowe – które odkryliśmy w  Brookhaven – zderza się z  protonem; a  dokładniej mówiąc, z  kwarkiem u w  protonie. Powstaje wówczas kwark d i  dodatni mion:
nm + u+2/3 d–1/3 + m+1.
       Czyli, antyneutrino mionowe plus kwark u przechodzi w  kwark d plus dodatni mion. Rzecz się sprowadza do tego, że podczas zderzenia neutrina i  kwarka u ten ostatni zmienia się w  kwark d, a  neutrino – w  mion. Podobnie jak w  poprzednim przykładzie, teoria oddziaływania słabego mówi nam, że reakcja ta przebiega w  dwóch etapach:
(1) nm W + m+
(2) W + u d.
       Antyneutrino zderza się z  kwarkiem u i  opuszcza miejsce zderzenia jako mion. Kwark u zmienia się w  d, a  w  całej reakcji pośredniczy W. Mamy więc prąd ujemny. Już w  roku 1955 teoretycy zauważyli (między innymi nauczyciel Glashowa, Julian Schwinger), że możliwy jest także prąd neutralny:
nm + u u + nm.
       Co się dzieje? Mamy neutrina mionowe i  kwarki u po obu stronach reakcji. Neutrino odbija się od kwarka u, ale wyłania się z  reakcji jako neutrino, a  nie mion, jak w  poprzednim przykładzie. Kwark u doznaje szturchnięcia, ale nadal pozostaje kwarkiem u. Ponieważ jest on częścią protonu (albo neutronu), cząstka ta pozostaje nienaruszona. Gdybyśmy mieli powierzchownie przyjrzeć się tej reakcji, ujrzelibyśmy neutrino mionowe uderzające w  proton i  odbijające się od niego bez szwanku. Ale rzecz jest bardziej złożona. W  poprzedniej reakcji w  metamorfozie kwarka u w  kwark d (albo na odwrót) pośredniczyło dodatnie albo ujemne W. Tutaj neutrino musi wysłać cząstkę przenoszącą oddziaływanie, żeby stuknąć kwark u. Gdy próbujemy zapisać tę reakcję, jasnym się staje, że ta wirtualna cząstka musi być elektrycznie obojętna.
       Reakcja ta przypomina sposób, w  jaki rozumiemy powstawanie siły elektromagnetycznej, powiedzmy, między dwoma protonami. Mamy wtedy wymianę obojętnej cząstki wirtualnej – fotonu. Ta wymiana jest źródłem opisywanej przez prawo Coulomba siły, która pozwala jednemu protonowi popchnąć drugi proton. Podobieństwo to jest nieprzypadkowe. Poszukiwacze Wielkiej Unifikacji (mam tu na myśli Glashowa i  jego kolegów) potrzebowali takiego procesu, jeśli zjednoczenie oddziaływania słabego i  elektromagnetycznego miało się kiedykolwiek dokonać.
       Tak więc rzucono nam, eksperymentatorom, wyzwanie: czy możemy znaleźć reakcje, w  których neutrina zderzają się z  jądrami i  nadal pozostają neutrinami? Najważniejszą częścią takiego eksperymentu jest zaobserwowanie wpływu tych neutrin na uderzone jądro. Istniały pewne niejednoznaczne dane, wskazujące na to, że reakcje takie zachodzą w  naszym dwumionowym eksperymencie w  Brookhaven. Mell Schwartz nazywał je „klopami”: neutralna cząstka wchodzi do nich, po czym taka sama z  nich wychodzi. Nie ma zmiany ładunku elektrycznego. Uderzone jądro rozpada się, ale w  stosunkowo niskoenergetycznej wiązce neutrin pojawia się niewiele energii – stąd właśnie wzięło się określenie Schwartza. Prądy neutralne. Nie pamiętam już, dlaczego obojętną cząstkę przenoszącą oddziaływanie nazwano Z0 (mówimy zet zero), a  nie W0. Ale jeśli chcesz, drogi Czytelniku, zaimponować znajomym, to możesz używać terminu „prądy neutralne”, fantazyjnej nazwy stworzonej dla wyrażenia idei, że obojętna cząstka wirtualna jest niezbędna w  niektórych procesach zachodzących z  udziałem oddziaływania słabego.
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