| Dlaczego aż tyle energii? |
|
|
| Dlaczego aż tyle energii?
|
|
|
| kcelerator o największej jak dotąd mocy, tewatron* w Fermilabie, doprowadza do zderzeń o energii około 2 TeV, czyli 400 tysięcy razy większej niż energia wytwarzana podczas doświadczeń Rutherforda z cząstkami a. Nadprzewodzący superakcelerator (SSC) jest projektowany tak, by osiągał 40 TeV.
|
| Wydaje się, że 40 TeV to ogromna ilość energii. I tak jest w istocie, jeśli całą tę energię zaangażuje się w pojedyncze zderzenie dwóch cząstek. Ale musimy spojrzeć na to zagadnienie z pewnej perspektywy. W akcie zapalenia zapałki uczestniczy około 1021 atomów, w reakcji każdego z nich uwalnia się około 10 eV, czyli całkowita energia wynosi 1022 eV, co jest równe 10 milionom TeV. W SSC w ciągu sekundy dojdzie do około 100 milionów zderzeń; podczas każdego z nich uwolnione zostanie około 40 TeV, co da w efekcie 4 miliardy TeV, a zatem wielkość porównywalną z energią uwalnianą przez zapalenie zapałki. Jednak istotna różnica polega na tym, że w akceleratorze energia skoncentrowana jest w stosunkowo niewielkiej liczbie cząstek zamiast w miliardach, miliardach i miliardach cząstek, z których składa się każdy okruszek widzialnej materii.
|
| Na cały kompleks akceleratora – od zasilanej ropą naftową elektrowni, przez linie elektryczne po laboratorium, gdzie transformatory przekazują całą energię elektromagnesom i wnękom rezonansowym o częstości radiowej – możemy spojrzeć jak na gigantyczne urządzenie (odznaczające się nadzwyczaj małą sprawnością), które służy do koncentrowania i przekazywania chemicznej energii ropy naftowej mniej więcej miliardowi protonów w ciągu sekundy. Gdyby makroskopową ilość ropy naftowej podgrzać tak, aby każdy z atomów osiągnął energię 40 TeV, temperatura tej ropy wynosiłaby 4 x 1017 stopni, czyli 400 tysięcy bilionów kelwinów. Atomy roztopiłyby się i zamiast nich mielibyśmy tylko kwarki. W takim stanie znajdował się cały Wszechświat na mniej niż milionową miliardowej części sekundy po swych narodzinach.
|
| Cóż więc robimy z całą tą energią? Zgodnie z teorią kwantową, jeśli chce się badać coraz mniejsze obiekty, potrzebne są coraz potężniejsze akceleratory. Oto zestawienie określające przybliżoną energię potrzebną do rozłupania rozmaitych interesujących obiektów:
|
| ENERGIA (w przybliżeniu) | ROZMIAR OBIEKTU |
| 0,1 eV | cząsteczka, duży atom 10–8 m |
| 1,0 eV | atom 10–9 m |
| 1000 eV | rdzeń atomu 10–11 m |
| 1 MeV | duże jądro 10–14 m |
| 100 MeV | rdzeń jądra 10–15 m |
| 1 GeV | neutron albo proton 10–16 m |
| 10 GeV | efekty kwarkowe 10–17 m |
| 100 GeV | efekty kwarkowe 10–18 m
(więcej szczegółów) |
| 10 TeV | Boska Cząstka? 10–20 m |
|
| Zauważ, drogi Czytelniku, jak w miarę zmniejszania się rozmiarów obiektów, w przewidywalny sposób wzrasta energia. Zauważ też, że potrzeba tylko 1 eV, aby badać atomy, ale już 10 miliardów eV, by zacząć badać kwarki.
|
| Akceleratory są jak mikroskopy, których biolodzy używają do badania coraz mniejszych rzeczy. W zwykłych mikroskopach światło oświetla oglądany obiekt, na przykład czerwoną krwinkę. Mikroskopy elektronowe, ukochane narzędzia łowców mikrobów, mają większą zdolność rozdzielczą właśnie dlatego, że elektrony niosą większą energię niż światło używane w mikroskopie optycznym. Mniejsza długość fali elektronów pozwala biologom lepiej „zobaczyć” cząsteczki składające się na komórkę. Długość fali bombardującej wiązki determinuje rozmiar tego, co można dzięki niej „zobaczyć” i zbadać. Dzięki teorii kwantowej wiemy, że w miarę jak maleje długość fali, zwiększa się niesiona przez nią energia; nasza tabela po prostu wyraźnie ukazuje ten związek.
|
| W przemówieniu skierowanym do Brytyjskiego Towarzystwa Naukowego w 1927 roku Rutherford wyraził nadzieję, że pewnego dnia ludzie nauczą się przyspieszać cząstki do energii większych niż te, które dostępne są w procesie rozpadu promieniotwórczego. Przewidywał wynalezienie maszyn zdolnych do wytwarzania napięcia sięgającego milionów woltów. Maszyny takie były potrzebne nie tylko ze względu na oferowaną przez nie moc. Fizycy chcieli wyrzucać więcej pocisków w wybranym kierunku. Źródła cząstek a występujące w przyrodzie nie są nazbyt szczodre: ku tarczy o powierzchni jednego centymetra kwadratowego można było skierować niecały milion cząstek na sekundę. Milion wydaje się sporą liczbą, ale jądra zajmują tylko jedną setną milionowej części powierzchni celu. By zbadać jądro, potrzeba przynajmniej tysiąckrotnie więcej przyspieszanych cząstek (miliard) i, jak już wspomniałem, o wiele większej energii: wiele milionów woltów (fizycy nie byli pewni, jak wiele). W latach dwudziestych wydawało się, że jest to zadanie ponad siły, niemniej w wielu laboratoriach zaczęto nad nim pracować. Rozpoczął się prawdziwy wyścig, by zbudować urządzenie zdolne do przyspieszania wymaganej liczby cząstek przynajmniej do miliona woltów. Zanim omówimy postępy techniki akceleratorowej, powinniśmy poświęcić chwilę jej podstawom.
|
|
| * Nazwa „tewatron” (ang. tevatron), podobnie jak „bewatron” (ang. bevatron) wiąże się z zakresem osiąganych przez akcelerator energii: TeV. W wypadku bewatronu chodzi o miliard (ang. billion) eV (przyp. red.).
|
|
