nauki ścisłe
Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-12
Największy eksperyment

(Fot. Justin Clements/Wikipedia)

Po niemal ćwierć wieku planowania i budowy rusza największa maszyna świata - akcelerator protonów LHC pod Genewą. Czy odkryje on przed nami tajemnice świata kwantów?

Od przeszło stu lat budujemy akceleratory - urządzenia, które rozpędzają cząstki elementarne, nadając im w ten sposób coraz większe energie. Każdy kolejny akcelerator pozwalał badać zjawiska zachodzące w coraz mniejszej skali, każdy prowadził do nowych odkryć. Doświadczenia zostały jednak bardzo szybko wyprzedzone przez teorię. Gdy w 1932 roku John Cockcroft i Ernest Walton za pomocą wiązek protonów o energiach 400 keV po raz pierwszy w historii rozszczepili atom (litu), wynik nie był niespodzianką - przewidzieli go cztery lata wcześniej George Gamow oraz (niezależnie) Ronald Gurney i Edward Condon. Później było podobnie: dzięki zaawansowanym teoriom fizycznym potrafiliśmy mniej więcej określić, co zobaczymy w każdym następnym akceleratorze. Nikogo nie zdziwiło odkrycie w 1962 roku neutrina mionowego w akceleratorze AGS w Brookhaven National Laboratory, kwarka powabnego w Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) oraz równolegle w Brookhaven National Laboratory w roku 1974, bozonów W i Z w CERN-ie (1983) czy też kwarka prawdziwego w Tevatronie w Fermilabie (rok 1995). Akceleratory służyły w zasadzie do potwierdzania istnienia cząstek znalezionych wcześniej na drodze teoretycznej. Wiedzieliśmy, czego szukamy.

Do dzisiaj.

W ciągu najbliższych tygodni przez najdoskonalszą próżnię w Układzie Słonecznym - wnętrze rur akceleratora LHC (Large Hadron Collider, czyli Wielki Zderzacz Hadronów) - pobiegną pierwsze wiązki protonów. Rozpędzone niemal do prędkości światła, będą się zderzać w ogromnych, liczących dziesiątki metrów detektorach. Co wówczas zaobserwujemy? Na to pytanie nie potrafimy udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Tam, gdzie zaczynają się doświadczenia w LHC, kończy się siła przewidywań naszej najlepszej teorii budowy materii - Modelu Standardowego.

Fizyka cegiełek natury

odel Standardowy to zespół teorii fizycznych opisujących mikroskopową budowę świata. Podstawowymi "cegiełkami" natury są tu fermiony - cząstki elementarne, które dzielą się na trzy bardzo podobne do siebie grupy, tzw. rodziny: pierwszą (elektron, neutrino elektronowe, kwark górny i kwark dolny), drugą (mion, neutrino mionowe, kwark powabny, kwark dziwny) i trzecią (taon, neutrino taonowe, kwark prawdziwy, kwark piękny). Fermiony oddziałują ze sobą, a nośnikami tych oddziaływań są inne cząstki - bozony. Zaliczamy do nich foton (nośnik sił elektromagnetycznych), bozony W+, W- i Z0 (odpowiedzialne za oddziaływania słabe) oraz gluony, które przenoszą oddziaływania silne, wiążące kwarki w takie zespoły, jak proton czy neutron. Całą tę konstrukcję można opisać jeszcze prościej, wprowadzając podział na kwarki i leptony (pod tą nazwą kryją się elektrony, miony, taony i trzy odpowiadające im neutrina). W tym ujęciu nasz świat tworzy zaledwie sześć rodzajów kwarków, sześć rodzajów leptonów oraz trzy wspomniane oddziaływania fundamentalne.

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że Model Standardowy jest tworem względnie prostym. Niestety, to pozory. Pod zbiorczą nazwą "gluony" kryje się na przykład aż osiem cząstek. Co więcej, z każdym kwarkiem i leptonem jest związana antycząstka o takiej samej masie i czasie życia, lecz innym znaku pewnych liczb kwantowych, np. pozyton to odpowiednik elektronu z dodatnim ładunkiem elektrycznym. W rzeczywistości mamy więc dwukrotnie więcej "cegiełek". Spora liczba cząstek tworzących tajemnicze rodziny to zresztą najmniejszy problem. Aby Model Standardowy w ogóle działał, trzeba z ogromną precyzją - rzędu nawet piętnastu miejsc po przecinku - dopasować niemal dwadzieścia różnych parametrów, które wyznaczamy doświadczalnie. Dlaczego parametry te są właśnie takie, a nie inne? Tu Model Standardowy nie udziela odpowiedzi. Na dodatek bardzo poważne problemy teoretyczne Modelu znikają dopiero wtedy, gdy wprowadzimy do niego jeszcze jedną cząstkę, bozon Higgsa, którego mimo wielu prób wciąż nie udało się odkryć.

Pytań jest jeszcze więcej. Nikt nie wie, dlaczego są tylko trzy rodziny fermionów. Jak wyliczyć masy cząstek elementarnych? Dlaczego tuż po Wielkim Wybuchu materia i antymateria nie anihilowały całkowicie, lecz pozostawiły "niestrawione" resztki - obserwowany dziś przez nas Wszechświat? Zagadką jest także, dlaczego Wszechświat wydaje się zawierać ciemną materię, której cząstek Model Standardowy w ogóle nie uwzględnia. No i to najbardziej oczywiste pytanie: w jaki sposób pogodzić tę teorię z faktem istnienia oddziaływań grawitacyjnych, których Model w ogóle nie zauważa?

Fabryka niezwykłości

est bardzo prawdopodobne, że odpowiedzi na wiele z powyższych pytań dostarczy właśnie akcelerator LHC. Tę największą maszynę świata często nazywa się "najdoskonalszym mikroskopem", gdyż pozwoli ona badać naturę w skalach tak małych, z jakimi nigdy wcześniej nie mieliśmy do czynienia. Takie porównanie nie jest jednak dobre. Mikroskop to bowiem urządzenie do oglądania niewielkich obiektów, które zostały odpowiednio przygotowane do badania - a więc takich, do których mieliśmy wcześniej dostęp. LHC to coś więcej - to fabryka, narzędzie kreacji, gdzie obiekty mikroświata będą powstawały w wyniku zderzeń wiązek protonów. Ale co tam powstanie?

Możliwości jest wiele, bo wiele jest hipotetycznych teorii opisujących, co może się zdarzyć poza Modelem Standardowym. Przykładowo, energie uzyskiwane w LHC odpowiadają masom cząstek przewidywanych przez modele wykorzystujące supersymetrię. Przewiduje ona, że w odpowiednich warunkach każdy fermion miałby swój supersymetryczny odpowiednik, tzw. superpartnera: leptonom odpowiadałyby sleptony, kwarkom - skwarki. Cząstce takiej jak elektron towarzyszyłby więc superpartner w postaci selektronu, fotonowi - fotino, bozonowi Higgsa - higgsino itp. Zatem jeśli supersymetria istnieje, w LHC powinniśmy zobaczyć dziesiątki nieznanych wcześniej cząstek.

Gwarancji, że tak się stanie, nie ma jednak żadnej. Supersymetria nie jest bowiem jedyną teorią próbującą opisać świat poza Modelem Standardowym. Niektóre teorie sugerują na przykład, że w wyniku zderzeń wiązek protonów mogą się wytworzyć mikroskopijne czarne dziury, które gwałtownie parując, zaleją detektory lawiną cząstek wtórnych. Obliczenia przeprowadzone przy nieco innych założeniach skłaniają do przypuszczeń, że być może uda nam się potwierdzić obecność postulowanych przez teorię M dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni. Pojawiły się nawet sugestie, że akcelerator wytworzy niewielkie tunele czasoprzestrzenne, dzięki którym fizycy mogliby badać naturę tak elementarnej cechy naszej rzeczywistości, jak przyczynowość.

Eksplozja - tak, ale wiedzy

brew sztucznie podsycanej histerii mediów, żadne z opisanych zjawisk (jeśli w ogóle wystąpi) nie doprowadzi do zagłady świata. O tym, że jesteśmy bezpieczni, przekonuje fakt, że... istniejemy. Ziemia od miliardów lat jest zalewana strumieniem wysokoenergetycznych cząstek - promieniowaniem kosmicznym. Ich energie zawierają się zazwyczaj w przedziale od gigaelektronowoltów (109 eV) do teraelektronowoltów (1012 eV), a więc odpowiadają energiom, z którymi będziemy mieli do czynienia w LHC. Cząstki promieniowania kosmicznego ustawicznie zderzają się z cząsteczkami ziemskiej atmosfery. Mimo to Ziemi nie wchłonęły żadne czarne dziury ani nie zalała nas fala turystów z przyszłości, którzy z okrzykiem "wreszcie!" spadaliby z nieba przez pootwierane tunele czasoprzestrzenne.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 04/2008 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
05/2020
04/2020
Kalendarium
Maj
31
W 1884 r. na ulice czeskiego Brna wyjechały pierwsze tramwaje parowe.
Warto przeczytać
Ta książka to praktyczny poradnik jak mniej marnować. Możesz wyrzucać aż o 80 procent mniej rzeczy, wydawać mniej pieniędzy - i pełniej żyć! To także refleksja nad tym, w jaki sposób można zacząć działać na rzecz środowiska

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-12
Największy eksperyment

(Fot. Justin Clements/Wikipedia)

Po niemal ćwierć wieku planowania i budowy rusza największa maszyna świata - akcelerator protonów LHC pod Genewą. Czy odkryje on przed nami tajemnice świata kwantów?

Od przeszło stu lat budujemy akceleratory - urządzenia, które rozpędzają cząstki elementarne, nadając im w ten sposób coraz większe energie. Każdy kolejny akcelerator pozwalał badać zjawiska zachodzące w coraz mniejszej skali, każdy prowadził do nowych odkryć. Doświadczenia zostały jednak bardzo szybko wyprzedzone przez teorię. Gdy w 1932 roku John Cockcroft i Ernest Walton za pomocą wiązek protonów o energiach 400 keV po raz pierwszy w historii rozszczepili atom (litu), wynik nie był niespodzianką - przewidzieli go cztery lata wcześniej George Gamow oraz (niezależnie) Ronald Gurney i Edward Condon. Później było podobnie: dzięki zaawansowanym teoriom fizycznym potrafiliśmy mniej więcej określić, co zobaczymy w każdym następnym akceleratorze. Nikogo nie zdziwiło odkrycie w 1962 roku neutrina mionowego w akceleratorze AGS w Brookhaven National Laboratory, kwarka powabnego w Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) oraz równolegle w Brookhaven National Laboratory w roku 1974, bozonów W i Z w CERN-ie (1983) czy też kwarka prawdziwego w Tevatronie w Fermilabie (rok 1995). Akceleratory służyły w zasadzie do potwierdzania istnienia cząstek znalezionych wcześniej na drodze teoretycznej. Wiedzieliśmy, czego szukamy.

Do dzisiaj.

W ciągu najbliższych tygodni przez najdoskonalszą próżnię w Układzie Słonecznym - wnętrze rur akceleratora LHC (Large Hadron Collider, czyli Wielki Zderzacz Hadronów) - pobiegną pierwsze wiązki protonów. Rozpędzone niemal do prędkości światła, będą się zderzać w ogromnych, liczących dziesiątki metrów detektorach. Co wówczas zaobserwujemy? Na to pytanie nie potrafimy udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Tam, gdzie zaczynają się doświadczenia w LHC, kończy się siła przewidywań naszej najlepszej teorii budowy materii - Modelu Standardowego.

Fizyka cegiełek natury

odel Standardowy to zespół teorii fizycznych opisujących mikroskopową budowę świata. Podstawowymi "cegiełkami" natury są tu fermiony - cząstki elementarne, które dzielą się na trzy bardzo podobne do siebie grupy, tzw. rodziny: pierwszą (elektron, neutrino elektronowe, kwark górny i kwark dolny), drugą (mion, neutrino mionowe, kwark powabny, kwark dziwny) i trzecią (taon, neutrino taonowe, kwark prawdziwy, kwark piękny). Fermiony oddziałują ze sobą, a nośnikami tych oddziaływań są inne cząstki - bozony. Zaliczamy do nich foton (nośnik sił elektromagnetycznych), bozony W+, W- i Z0 (odpowiedzialne za oddziaływania słabe) oraz gluony, które przenoszą oddziaływania silne, wiążące kwarki w takie zespoły, jak proton czy neutron. Całą tę konstrukcję można opisać jeszcze prościej, wprowadzając podział na kwarki i leptony (pod tą nazwą kryją się elektrony, miony, taony i trzy odpowiadające im neutrina). W tym ujęciu nasz świat tworzy zaledwie sześć rodzajów kwarków, sześć rodzajów leptonów oraz trzy wspomniane oddziaływania fundamentalne.

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że Model Standardowy jest tworem względnie prostym. Niestety, to pozory. Pod zbiorczą nazwą "gluony" kryje się na przykład aż osiem cząstek. Co więcej, z każdym kwarkiem i leptonem jest związana antycząstka o takiej samej masie i czasie życia, lecz innym znaku pewnych liczb kwantowych, np. pozyton to odpowiednik elektronu z dodatnim ładunkiem elektrycznym. W rzeczywistości mamy więc dwukrotnie więcej "cegiełek". Spora liczba cząstek tworzących tajemnicze rodziny to zresztą najmniejszy problem. Aby Model Standardowy w ogóle działał, trzeba z ogromną precyzją - rzędu nawet piętnastu miejsc po przecinku - dopasować niemal dwadzieścia różnych parametrów, które wyznaczamy doświadczalnie. Dlaczego parametry te są właśnie takie, a nie inne? Tu Model Standardowy nie udziela odpowiedzi. Na dodatek bardzo poważne problemy teoretyczne Modelu znikają dopiero wtedy, gdy wprowadzimy do niego jeszcze jedną cząstkę, bozon Higgsa, którego mimo wielu prób wciąż nie udało się odkryć.

Pytań jest jeszcze więcej. Nikt nie wie, dlaczego są tylko trzy rodziny fermionów. Jak wyliczyć masy cząstek elementarnych? Dlaczego tuż po Wielkim Wybuchu materia i antymateria nie anihilowały całkowicie, lecz pozostawiły "niestrawione" resztki - obserwowany dziś przez nas Wszechświat? Zagadką jest także, dlaczego Wszechświat wydaje się zawierać ciemną materię, której cząstek Model Standardowy w ogóle nie uwzględnia. No i to najbardziej oczywiste pytanie: w jaki sposób pogodzić tę teorię z faktem istnienia oddziaływań grawitacyjnych, których Model w ogóle nie zauważa?

Fabryka niezwykłości

est bardzo prawdopodobne, że odpowiedzi na wiele z powyższych pytań dostarczy właśnie akcelerator LHC. Tę największą maszynę świata często nazywa się "najdoskonalszym mikroskopem", gdyż pozwoli ona badać naturę w skalach tak małych, z jakimi nigdy wcześniej nie mieliśmy do czynienia. Takie porównanie nie jest jednak dobre. Mikroskop to bowiem urządzenie do oglądania niewielkich obiektów, które zostały odpowiednio przygotowane do badania - a więc takich, do których mieliśmy wcześniej dostęp. LHC to coś więcej - to fabryka, narzędzie kreacji, gdzie obiekty mikroświata będą powstawały w wyniku zderzeń wiązek protonów. Ale co tam powstanie?

Możliwości jest wiele, bo wiele jest hipotetycznych teorii opisujących, co może się zdarzyć poza Modelem Standardowym. Przykładowo, energie uzyskiwane w LHC odpowiadają masom cząstek przewidywanych przez modele wykorzystujące supersymetrię. Przewiduje ona, że w odpowiednich warunkach każdy fermion miałby swój supersymetryczny odpowiednik, tzw. superpartnera: leptonom odpowiadałyby sleptony, kwarkom - skwarki. Cząstce takiej jak elektron towarzyszyłby więc superpartner w postaci selektronu, fotonowi - fotino, bozonowi Higgsa - higgsino itp. Zatem jeśli supersymetria istnieje, w LHC powinniśmy zobaczyć dziesiątki nieznanych wcześniej cząstek.

Gwarancji, że tak się stanie, nie ma jednak żadnej. Supersymetria nie jest bowiem jedyną teorią próbującą opisać świat poza Modelem Standardowym. Niektóre teorie sugerują na przykład, że w wyniku zderzeń wiązek protonów mogą się wytworzyć mikroskopijne czarne dziury, które gwałtownie parując, zaleją detektory lawiną cząstek wtórnych. Obliczenia przeprowadzone przy nieco innych założeniach skłaniają do przypuszczeń, że być może uda nam się potwierdzić obecność postulowanych przez teorię M dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni. Pojawiły się nawet sugestie, że akcelerator wytworzy niewielkie tunele czasoprzestrzenne, dzięki którym fizycy mogliby badać naturę tak elementarnej cechy naszej rzeczywistości, jak przyczynowość.

Eksplozja - tak, ale wiedzy

brew sztucznie podsycanej histerii mediów, żadne z opisanych zjawisk (jeśli w ogóle wystąpi) nie doprowadzi do zagłady świata. O tym, że jesteśmy bezpieczni, przekonuje fakt, że... istniejemy. Ziemia od miliardów lat jest zalewana strumieniem wysokoenergetycznych cząstek - promieniowaniem kosmicznym. Ich energie zawierają się zazwyczaj w przedziale od gigaelektronowoltów (109 eV) do teraelektronowoltów (1012 eV), a więc odpowiadają energiom, z którymi będziemy mieli do czynienia w LHC. Cząstki promieniowania kosmicznego ustawicznie zderzają się z cząsteczkami ziemskiej atmosfery. Mimo to Ziemi nie wchłonęły żadne czarne dziury ani nie zalała nas fala turystów z przyszłości, którzy z okrzykiem "wreszcie!" spadaliby z nieba przez pootwierane tunele czasoprzestrzenne.