Badanie Najmniejszych Cząstek Nawiększymi Maszynami – czyli Fizyka Wysokiej Energii

W ramach comiesięcznych odczytów organizowanych przez Stowarzyszenie Techników Polskich w WB wspólnie z PUNO dr Włodzimierz Mier-Jędrzejowicz był autorem odczytu na temat: Badanie Najmniejszych Cząstek Nawiększymi Maszynami – czyli Fizyka Wysokiej Energii, który odbył się 31 marca 2005 w Sali Orłów w POSK-u. Autor jest absolwentem wydziału fizyki londyńskiego uniwersytetu Imperial College. Tam też zrobił doktorat z fizyki cząstek elementarnych. Jest członkiem Royal Astronomical Society i American Geophysical Union.

Autor zaczął swój odczyt od stwierdzenia, że cały znany nam wszechświat istnieje, ponieważ czastki elementarne oddziaływują, czy to rozpadając się, anihilujac, lub też odpowiadając na siły powstałe wskutek obecności innych czastek (np. podczas zderzeń). Aby zrozumieć jak zbudowany jest wszechświat fizycy wciąż poszukują nowych rodzajów czastek i oddziaływań. Zastanawiają się też, czy te cząstki które aktualnie uważane są za elementarne, są rzeczywiscie elementarne.

Zebrani słuchacze dowiedzieli się, że teoria jakoby świat zbudowany był z atomów powstała około 1900 roku i ludzie myśleli o atomach jako o małych kuleczkach. Ale fakt, że atomy mogą być sklasyfikowane według ich własności chemicznych (jak w układzie okresowym) sugeruje, że atomy nie są cząstkami elementarnymi. Oprócz tego eksperymenty używajace innych cząstek jako próbników i pozwalające "zajrzeć" do wnętrza atomu pokazują, że atomy mają strukture i nie są po prostu jednolitymi kuleczkami.

Te doświadczenia pozwoliły ustalić, że atomy posiadaja dodatnio naładowane ciężkie jądro otoczone chmurą elektronow. Wiele lat później uczeni odkryli, że jadro atomu jest zbudowane z protonów oraz z neutronów. Okazuje się jednak, że nawet protony i neutrony nie są czastkami elementarnymi - sa one bowiem zbudowane z jeszcze bardziej fundamentalnych czastek zwanych kwarkami.

Tak więc te najmniejsze cząstki w tytule odczytu to kwarki, a ich wiekość jest szacowna na 10-18 m. Gdyby protony i neutrony miały średnice 1 cm; wtedy elektrony i kwarki mialyby średnice mniejszą niż włos; oraz Całkowita średnica atomu byłaby większa niz 30 długości boiska do piłki nożnej!

Fizycy stworzyli teorię, zwana Modelem Standardowym, która opisuje materię oraz wszystkie siły we wszechświecie (z wyjatkiem grawitacji). Potrafi ona wyjasnić skomplikowane procesy oraz budowe i wlasności setek cząstek przy pomocy kilku tylko czastek elementarnych i oddziaływań pomiedzy nimi.
W Modelu Standardowym budowa wszystkich zaobserwowanych cząstek może być opisana przy użyciu:

• 6 rodzajow leptonów
• 6 rodzajow kwarków, oraz...
• cząstek przenoszących oddziaływania.

Istnieje sześć leptonów, trzy z nich mają ładunek elektryczny, a trzy pozostałe są neutralne. Najlepiej znanym naładowanym leptonem jest elektron (e). Pozostale dwa naładowane leptony są to mion (ľ) oraz cząstka tau ( ), które są w zasadzie podobne do elektronu, poza tym że mają dużo wiekszą od niego masę. Naładowane leptony mają ujemny ładunek elektryczny. Jak dotąd nie ma żadnych obserwacji wskazujących na to, żeby leptony miały jakikolwiek rozmiar lub strukturę.
Leptony, jak niezależne samotne koty, mogą istnieć bez towarzystwa innych cząstek. W przeciwienstwie do nich kwarki wystepują tylko w grupach.

Istnieje sześć kwarków, ale fizycy przeważnie mówią o trzech parach kwarków: górny/dolny (Up/Down), powabny/dziwny (Charm/Strange) i prawdziwy/piękny (True/Beauty lub Top/Bottom). Do każdego kwarku istnieje kwark z antymaterii, czyli antykwark.
Kwarki sa nietypowe pod względem ładunku, gdyż posiadają ułamkowy ładunek elektryczny 2/3 albo -1/3, w przeciwieństwie do elektronu (ładunek -1) czy protonu (ładunek +1). Kwarki posiadają jeszcze inny rodzaj ładunku, zwany ładunkiem kolorowym, Tak jak i stadnie żyjące słonie, kwarki występują tylko w grupach z innymi kwarkami. Pojedynczy kwark ma ułamkowy ladunek elektryczny, ktory jednak nigdy nie jest obserwowany, gdyż kwarki nie wystepują pojedyńczo. Tworzą one cząstki zwane hadronami. Suma ładunku elektrycznego kwarków tworzących hadron jest zawsze całkowita. Pojedyncze kwarki posiadają ładunek kolorowy, natomiast hadrony są kolorowo obojętne.

W kontekście prowadzonych na świecie badań w zakresie fizyki wysokiej energii zostały wymienione między innymi takie ośrodki badawcze jak CERN w Europie oraz FERMILAB i SLAC w USA. W tych właśnie ośrodkach usytuowano te wspomniane wielkie maszyny, w których realizowane są kolizje cząstek w celu eksperymentalnego zbadania i potwierdzenia wielu teorii na temat powstania materii.
Te największe maszyny, z tytułu odczytu, używane do ich badania to synchrotony. W ekperymencie sprawdza sie z w wielką precyzją przewidywania modelu standardowego. Poszukuje się cząstki Higgsa (czegoś mniejszego od kwarku), a także efektów wykraczajacych poza model standardowy.

Aktualnie konstruowany w CERN LHC (Large Hadron Collider) czyli Wielki Zderzacz Hadronów będzie wykorzystany do tych badań. Będzie to największy na świecie akcelerator cząstek. Zasadniczym celem eksperymentów realizowanych przy użyciu LHC będzie poszukiwanie tajemniczej cząstki Higgsa przewidywanej w modelu standardowym i której dotychczasowe eksperymenty na LEP (Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytronowy) nie zdołały zaobserwować. Pole Higgsa przenikające całą otaczajacą nas przestrzeń nadaje masy wszystkim obiektom elementarnym - kwarkom i leptonom.

Wizje przyszłych badań, które dr Mier-Jędrzejowicz roztaczał przed słuchaczami były imponujące i wychodziły poza ziemski wymiar.

Był to kolejny znakomity wykład dr. Mier-Jędrzejowicza wygłaszany na forum spotkań organizowanych przez STP, Autor jeszcze raz dał dowód na to, że właściwa prezentacja wysoce specjalistycznej wiedzy jest kluczem do powodzenia odczytu. Odczyt zgromadził 20 słuchaczy. Zebrani zasypali autora licznymi pytaniami i dyskusja była długo kontynuowana przy kanapkach i winie.

Dr Włodzimierz Mier-Jędrzejowicz podczas odczytu

Dr Włodzimierz Mier-Jędrzejowicz w rozmowie z prof. dr. inż. Ryszardem Chmielowcem

Dr inż. Ryszard Grabiec zadaje pytanie podczas dyskusji.
Na pierwszym planie koledzy Janusz Stokłosa i Arkadiusz Stencel.

Zebrani słuchacze, na pierwszym planie Pani Danuta Birek