| Nowa materia: kilka przepisów |
|
|
| Nowa materia: kilka przepisów
|
|
|
| uszę wspomnieć o jeszcze jednym ważnym procesie, towarzyszącym zderzeniom: możemy produkować nowe cząstki. Podobne procesy zachodzą bez przerwy w każdym zakątku domu. Popatrz, drogi Czytelniku, na lampę wytrwale próbującą oświetlić tę ciemną stronicę. Jakie jest źródło tego światła? Elektrony pobudzone energią elektryczną dostarczaną do włókna żarówki albo – jeśli używasz energooszczędnych urządzeń – do gazu lampy fluoroscencyjnej. Elektrony emitują fotony. To właśnie o ten proces chodzi. Ujmując to w bardziej abstrakcyjnym języku fizyki cząstek elementarnych, można powiedzieć, że elektron w wyniku zderzenia może wypromieniować foton. Elektron otrzymuje energię (za pośrednictwem wtyczki w ścianie) podczas procesu przyspieszania.
|
| A teraz uogólnijmy to, co powiedzieliśmy. Kiedy stwarzamy nowe cząstki, musimy liczyć się z prawami zachowania energii, pędu i ładunku oraz respektować wszystkie inne reguły kwantowe. Poza tym obiekt, który jest odpowiedzialny za pojawienie się nowej cząstki, musi być z nią w jakiś sposób „związany”. Przykład: w wyniku zderzenia dwóch protonów powstaje nowa cząstka – pion. Zapisujemy to następująco:
|
p+ + p+  p+ + p+ + n.
|
| Oznacza to, że proton może się zderzyć z drugim protonem i w wyniku tego powstanie proton, dodatnio naładowany pion oraz neutron. Wszystkie te cząstki podlegają silnemu oddziaływaniu, a powyższa reakcja to typowy przykład procesu kreacji. Można go też rozpatrywać jako „rozpuszczanie” protonu pod wpływem innego protonu na „pi plus” i neutron.
|
| Do innego, rzadkiego i ekscytującego procesu produkcji cząstek, zwanego anihilacją, dochodzi wówczas, gdy materia zderza się z antymaterią. Termin „anihilacja” został tu użyty w jak najściślejszym, słownikowym znaczeniu jako „pozbawianie istnienia”. Gdy cząstka, zwana elektronem, zderza się ze swą antycząstką – pozytonem – obie znikają, a na ich miejsce na moment pojawia się energia w postaci fotonu. Zasady zachowania nie lubią tego procesu, dlatego foton istnieje tylko przelotnie i wkrótce muszą w jego miejsce powstać dwie cząstki – na przykład inny elektron i pozyton. Rzadziej foton może przekształcić się w mion i antymion albo nawet w proton i antyproton. Anihilacja to jedyny proces, w którym masa jest ze stuprocentową wydajnością przetwarzana w energię, zgodnie z einsteinowskim równaniem E = mc2. Podczas wybuchu bomby jądrowej tylko ułamek procentu masy ulega przeobrażeniu w energię. Gdy materia zderza sie z antymaterią, znika sto procent masy.
|
| Najważniejszym warunkiem, który musi być spełniony podczas wytwarzania nowych cząstek, jest dostateczna ilość energii. E = mc2 to podstawowe narzędzie, za pomocą którego prowadzimy nasze obliczenia. Wspominałem na przykład, że w efekcie zderzenia między elektronem i pozytonem może powstać proton i antyproton. Ponieważ energia spoczynkowej masy protonu wynosi około 1 GeV, cząstki biorące udział w zderzeniu muszą mieć przynajmniej 2 GeV, by mogła powstać para proton/antyproton. Jeśli jest więcej energii, wzrasta prawdopodobieństwo takiego zdarzenia i pozostaje pewna nadwyżka w postaci energii kinetycznej nowych cząstek, dzięki czemu łatwiej jest je wykryć.
|
| Olśniewająca natura antymaterii stała się źródłem pielęgnowanego przez literaturę fantastycznonaukową poglądu, że dzięki niej będzie można pewnego dnia rozwiązać kryzys energetyczny. I rzeczywiście, kilogram antymaterii dostarczyłby tyle energii, ile zużywa się dziennie w Stanach Zjednoczonych, gdyż całkowita masa antyprotonu (razem z masą protonu, który ulega zagładzie) przekształca się w energię via E = mc2. Podczas spalania węgla lub ropy naftowej tylko miliardowa część masy paliwa zmienia się w energię. W reaktorach rozszczepieniowych liczba ta dochodzi do 0,1 procent. W niecierpliwie oczekiwanych reakcjach termojądrowych osiągnie zapewne (usiądź wygodnie, drogi Czytelniku!) blisko 0,5 procent.
|
|
