| Katedra Moneta, czyli trzynaście sposobów widzenia protonu |
|
|
Katedra Moneta,
czyli trzynaście sposobów widzenia protonu
|
|
|
| eraz, kiedy dysponujemy już przyspieszonymi cząstkami, co z nimi zrobimy? Mówiąc krótko, zderzamy je ze sobą. Ponieważ to właśnie stanowi sedno procesu, dzięki któremu możemy badać materię i energię, musimy dokładniej zająć się zderzeniami. Można zapomnieć o różnych szczegółach dotyczących przyrządów i o tym, jak się przyspiesza cząstki, choćby to było nawet interesujące. Ale zapamiętaj, drogi Czytelniku, że istotą akceleratora są zderzenia.
|
| Sposób, w jaki obserwujemy, a w końcu pojmujemy abstrakcyjny subatomowy świat równie dobrze mógłby zostać wykorzystany do zrozumienia każdej innej rzeczy – na przykład drzewa. Jak przebiega taki proces? Po pierwsze, potrzebne nam jest światło. Użyjmy światła słonecznego. Fotony płyną ze Słońca ku drzewu, odbijają się od jego liści i kory, gałęzi i konarów. Niewielka ich część trafia do naszego oka. Fotony, można powiedzieć, ulegają rozproszeniu na obiekcie w kierunku detektora. Soczewka oka ogniskuje światło na siatkówce. Siatkówka wykrywa fotony i porządkuje je według rozmaitych cech: kolor, odcień, intensywność. Te informacje zostają przesłane do procesora pracującego on-line – do potylicznego płatu naszego mózgu, specjalizującego się w przetwarzaniu danych wzrokowych. Wreszcie nasz procesor dochodzi do wniosku: „Na Jowisza, drzewo! Ale śliczne”.
|
| Informacja trafiająca do oka może zostać przefiltrowana przez okulary optyczne lub przeciwsłoneczne, co pogłębia zniekształcenia wprowadzone już przez samo oko. Zadaniem mózgu jest korekcja tych zniekształceń. Zastąpmy oko aparatem fotograficznym i tydzień później, na wyższym poziomie abstrakcji, możemy podziwiać to samo drzewo podczas rodzinnego pokazu slajdów. Kamera wideo może nawet przetworzyć fotony w cyfrową informację elektroniczną: w zera i jedynki. By nacieszyć się obrazem, trzeba teraz odtworzyć zapis za pomocą telewizora – przetworzyć informację cyfrową z powrotem do postaci analogowej; na ekranie pojawi się drzewo. Gdyby ktoś chciał posłać „drzewo” kolegom naukowcom z planety Ugiza, skorzystałby zapewne z wersji cyfrowej, która najprecyzyjniej i najsprawniej pozwoliłaby przekazać konfigurację, którą Ziemianie zwą drzewem.
|
| Oczywiście, z akceleratorem to nie jest takie proste. Różne rodzaje cząstek używane są na różne sposoby, ale możemy posunąć tę metaforę jądrowych zderzeń i rozpraszania o jeden krok dalej. Drzewo wygląda inaczej rano, inaczej w południe czy o zachodzie słońca. Każdy, kto widział cykl obrazów Moneta przedstawiający fasadę katedry w Rouen o różnych porach dnia, wie, jak wielką rolę odgrywa w nich rodzaj światła. Który obraz jest prawdziwy? Dla artysty katedra ma wiele twarzy. Każda z nich lśni swym własnym światłem: mglisty poranek, ostre kontrasty południowego słońca, bogaty blask późnego popołudnia... W każdym z tych świateł ukazuje się inny aspekt prawdy. Fizycy pracują w podobnych warunkach. Potrzebujemy jak najwięcej informacji. Artysta wykorzystuje zmieniające się światło słoneczne. My używamy rozmaitych cząstek: strumieni elektronów, mionów czy neutrin o najrozmaitszych energiach.
|
| Oto, na czym to polega.
|
| O zderzeniu wiadomo na pewno tylko to, jakie cząstki brały w nim udział i jakie powstały w jego efekcie. Co się dzieje w maleńkiej przestrzeni zderzenia? To irytujące, ale prawda jest taka, że nie wiemy. Zupełnie jakby czarna skrzynka osłaniała obszar zderzenia. Wewnętrzne, mechaniczne szczegóły zderzeń nie podlegają obserwacji – zaledwie można je sobie wyobrazić. Dysponujemy tylko modelami sił biorących udział w zderzeniu i tam gdzie to jest istotne – modelami struktury zderzających się obiektów. Wiemy, co bierze udział w zderzeniu oraz co jest jego produktem, i zadajemy sobie pytanie, czy nasz model opisujący zawartość skrzynki pozwala przewidywać właśnie taki, a nie inny przebieg tego procesu.
|
| W Fermilabie mamy program oświatowy dla dziesięciolatków, w którym zapoznajemy ich z tym właśnie problemem. Wręczamy im puste pudełko, które mogą oglądać, dotykać, ważyć, a nawet potrząsać nim. Potem wkładamy coś do pudełka, na przykład drewniany klocek, trzy metalowe kule itp. Wtedy znowu prosimy uczniów, by ważyli, potrząsali, przechylali oraz słuchali i by powiedzieli nam wszystko, co mogą, o zawartości pudełka: podali jego rozmiar, kształt, ciężar i liczbę skrywających się w nim przedmiotów. To ćwiczenie stanowi bardzo pouczającą metaforę naszych rozproszeniowych eksperymentów. Zdziwiłbyś się, drogi Czytelniku, jak często dzieci poprawnie zgadują.
|
| Wróćmy do dorosłych i do cząstek elementarnych. Powiedzmy, że chcemy dowiedzieć się, jaki jest rozmiar protonu. Skorzystamy ze wskazówki, którą zostawił nam Monet. Przyjrzymy się protonom oświetlonym różnymi rodzajami „światła”. Czy mogą być punktami? Aby się tego dowiedzieć, fizycy zderzają ze sobą protony o bardzo niskich energiach i badają siły elektromagnetyczne pojawiające się między nimi. Prawo Coulomba mówi, że siły te sięgają aż do nieskończoności i maleją z kwadratem odległości, która dzieli dwa ciała. Oba protony – znajdujący się w tarczy i przyspieszany – są oczywiście dodatnio naładowane. A ponieważ jednoimienne ładunki się odpychają, proton z tarczy z łatwością odpycha powolny proton. Nigdy nie zbliżają się zanadto do siebie. W tym świetle proton rzeczywiście wygląda jak punkt – jak punktowy ładunek elektryczny. Zwiększamy więc energię przyspieszanego protonu. Teraz odchylenia torów rozpraszanych cząstek wskazują na to, że protony zbliżają się do siebie na tyle, by ujawniło się oddziaływanie silne, które spaja w jedną całość części składowe protonu. Oddziaływanie silne jest sto razy potężniejsze od coulombowskiego, ale w przeciwieństwie do niego rozciąga się na bardzo niewielki obszar przestrzeni. Sięga tylko na odległość 10–13 cm, a dalej szybko maleje do zera.
|
| Zwiększając energię zderzenia, odkrywamy coraz więcej szczegółów dotyczących oddziaływania silnego. W miarę wzrostu energii zmniejsza się długość fali protonu (przypomnij sobie, drogi Czytelniku, de Broglie'a i Schrödingera). A przecież im mniejsza długość fali, tym więcej szczegółów można wyróżnić w obrazie badanej cząstki. Jedne z najlepszych „zdjęć” protonu zrobił w latach pięćdziesiątych Robert Hofstadter z Uniwersytetu Stanforda. Rolę światła, jakiego ten uczony używał, pełniła wiązka elektronów, a nie protonów. Zespół Hofstadtera wycelował zwartą wiązkę elektronów o energii, powiedzmy, 800 MeV w niewielki zbiornik z ciekłym wodorem. Elektrony bombardowały protony w atomach wodoru, dzięki czemu otrzymywano pewien charakterystyczny obraz: elektrony wyłaniały się ze zderzeń pod różnymi kątami w stosunku do pierwotnego kierunku ich ruchu. Nie różni się to wiele od tego, co robił Rutherford. Jednak elektron, inaczej niż proton, nie podlega silnemu oddziaływaniu jądrowemu, lecz oddziaływaniu elektromagnetycznemu z dodatnio naładowanym protonem. Dzięki temu naukowcy ze Stanford mogli zbadać kształt i rozmieszczenie ładunku w protonie. W ten sposób doszło do ujawnienia rozmiarów protonu. Niewątpliwie nie był punktem. Zmierzono jego promień, który wynosi 2,8 × 10–13 cm. Ładunek osiągał wartość największą w centrum i malał do zera przy brzegach tego, co zwiemy protonem. Podobne rezultaty otrzymano powtarzając eksperyment przy użyciu wiązek mionów, które także ignorują oddziaływanie silne. Za tę „fotografię” protonu Hofstadter otrzymał w 1961 roku Nagrodę Nobla.
|
| Około roku 1968 fizycy ze SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, czyli Centrum Akceleratora Liniowego w Stanford) bombardowali protony elektronami o znacznie wyższej energii: (8–15) GeV, i zaobserwowali wyraźnie inny przebieg rozpraszania. W tym twardym świetle proton wyglądał zupełnie inaczej. Użyte przez Hofstadtera elektrony o stosunkowo niskiej energii ujawniły tylko „rozmazany” portret protonu: ładunek rozkładał się tak, że proton wyglądał jak miękka, gąbczasta kuleczka. Elektrony wykorzystane w SLAC sięgały głębiej i pozwoliły dostrzec trzy małe stworki śmigające we wnętrzu protonu. Były to pierwsze dane wskazujące na istnienie kwarków. Nowe dane dopełniały stare, podobnie jak poranny obraz Moneta uzupełniał obraz wieczorny. Po prostu niskoenergetyczne elektrony mogły ukazać jedynie średni rozkład ładunku. Wysokoenergetyczne elektrony ujawniły, że proton zawiera trzy szybko poruszające się składniki punktowe. Dlaczego eksperyment przeprowadzony w SLAC odkrył ten szczegół, a badania Hofstadtera nie? Zderzenia, w których uczestniczą cząstki o dostatecznie wysokiej energii, „zamrażają” kwarki w miejscu i „wyczuwają” punktowe oddziaływania. Zachowanie to jest konsekwencją małych długości fal. Oddziaływania takie powodują rozpraszanie pod dużymi kątami (przypomnij sobie, drogi Czytelniku, Rutherforda i jądro) i znaczne zmiany energii elektronów biorących udział w zderzeniu. Fizycy nazywają takie zjawisko „głęboko nieelastycznym rozpraszaniem”. We wcześniejszych eksperymentach Hofstadtera kwarki wychodziły nieostro i proton sprawiał wrażenie „gładkiej” cząstki o jednorodnym wnętrzu, ponieważ sondujące go elektrony miały zbyt małą energię. Wyobraź sobie, drogi Czytelniku, że robisz zdjęcie trzem maleńkim, szybko migającym żaróweczkom naświetlając film przez minutę. Na zdjęciu ukazałby się jeden niewyraźny, niezróżnicowany obiekt. W pewnym sensie eksperyment w SLAC polegał na zrobieniu zdjęcia przy zastosowaniu bardzo krótkiego czasu naświetlania; dzięki temu można było łatwo policzyć świetlne punkty.
|
| Ponieważ kwarkowa interpretacja rozpraszania wysokoenergetycznych elektronów była niezwykła i brzemienna w skutki, powtórzono ten eksperyment w Fermilabie i w CERN, używając wiązek mionów o energii dziesięciokrotnie większej niż stosowana w SLAC (150 GeV) oraz neutrin. Miony, tak samo jak elektrony, pozwalają zgłębiać elektromagnetyczną strukturę protonu, ale neutrina, niewrażliwe zarówno na oddziaływania elektromagnetyczne, jak i silne, pozwalają badać rozkład oddziaływania słabego. To ostatnie odpowiada za rozpad promieniotwórczy jądra. Wielkie eksperymenty prowadzone w atmosferze ostrej rywalizacji dały jednobrzmiące wyniki: proton zbudowany jest z trzech kwarków. Poznaliśmy też nieco szczegółów dotyczących ruchów kwarków. To właśnie ich ruch wyznacza własności tego, co nazywamy „protonem”.
|
| Szczegółowa analiza tych trzech rodzajów eksperymentów – z elektronami, mionami i neutrinami – doprowadziła także do odkrycia nowego rodzaju cząstek: gluonów. Gluony są nośnikami oddziaływania silnego i bez nich po prostu nie udałoby się wyjaśnić otrzymanych danych. Ta sama analiza pozwoliła zrozumieć, jak kwarki poruszają się względem siebie w swym protonowym więzieniu. Dwadzieścia lat takich badań (nazywanych przez fizyków badaniem funkcji struktury) doprowadziło nas do stworzenia wyrafinowanego modelu pozwalającego zinterpretować wszystkie eksperymenty, w których protony, neutrony, elektrony, miony, neutrina, a także fotony, piony i antyprotony zderzają się z protonami. Monet pozostał daleko w tyle. Być może porównanie z wierszem Wallace'a Stevensa Trzynaście sposobów widzenia kosa byłoby tu bardziej na miejscu.
|
| Jak widać, można się wiele dowiedzieć, próbując zinterpretować to, co-wchodzi-i-co-wychodzi. Poznajemy oddziaływania i sposób, w jaki doprowadzają do tworzenia się złożonych struktur, takich jak protony (zbudowane z trzech kwarków) albo mezony (zbudowane z pary kwark i antykwark). Wobec tak wielkiej liczby komplementarnych informacji coraz mniej istotny staje się fakt, że nie możemy zajrzeć do czarnej skrzynki, w której odbywa się zderzenie.
|
| Trudno się nie poddać wrażeniu, że mamy do czynienia z sekwencją „ziaren wewnątrz ziaren”. Cząsteczka składa się z atomów, rdzeniem atomu jest jądro. Jądro składa się z protonów i neutronów. Proton i neutron zbudowane są z kwarków. Kwarki składają się z... O nie, chwileczkę, stop. Sądzimy, że kwarki nie dają się rozłożyć, choć, oczywiście, nie możemy być tego pewni. Niemniej taka panuje powszechnie opinia. Na razie. A zresztą, Demokryt przecież nie może żyć wiecznie.
|
|
