Kategoria: fizyka

Pułapka na miony

Lucas BergowskyLeave a comment

Jeden z poprzednich tekstów na naszym blogu pt. Ciemna materia, czyli królowa jest naga w świetny sposób przybliżył nam temat związany z materią, która, jeśli istnieje, to oddziałuje z pozostałą wyłącznie za pomocą grawitacji i być może za pośrednictwem oddziaływań słabych. Jeśli nie czytaliście, to gorąco zachęcam.

Moje poprzednie wpisy miały zaś na celu przybliżenie aparatu matematycznego, którego używamy do opisu materii i oddziaływań zebranych razem jako Model Standardowy. O ile można łatwo zgodzić się z istnieniem elektronów i kwarków górnych oraz dolnych, o tyle pozostałe cząstki, takie jak neutrina czy cięższe leptony, czyli mion i taon, wydają się dziwną koncepcją. Czy mamy jakiekolwiek dowody na to, że są to realne cząstki, a nie wyłącznie matematyczne twory, które ładnie pasują do modelu? Mamy i to nawet obserwacyjne!

Detekcja neutrin jest nie do przeprowadzenia w warunkach domowych – głownie z uwagi na rozmiar detektorów. Umówmy się, że mało kto ma możliwość umieszczenia w piwnicy zbiornika zawierającego 50 000 ton wody. Jednak możemy pokusić się o próbę upolowania innych cząstek znanych nam z modelu standardowego, czyli właśnie mionów, i zaraz dowiecie się jak zrobić to w domu!

Czym są same miony? Mają właściwości dokładnie takie jak znane nam elektrony – są leptonami, czyli nie oddziałują silnie; posiadają ładunek elektryczny, czyli oddziałują elektromagnetycznie; posiadają jak wszystkie fermiony połówkowy spin i podlegają oddziaływaniu słabemu. Tym, co odróżnia je od elektronów, jest masa – 105,65 MeV, czyli są około 200 razy cięższe. Z pewnością oddziałują grawitacyjnie, ale jak wspomniałem wcześniej, nie posiadamy żadnej teorii pozwalającej nam opisać takie efekty ani tym bardziej nie mamy możliwości ich obserwacji w takich skalach.

Skąd owe miony się biorą? Generalnie to z kosmosu, a ściśle – z górnych warstw atmosfery, która jest cały czas bombardowana wysokoenergetycznymi cząstkami pochodzącymi ze Słońca, promieniowania kosmicznego, wybuchów supernowych, zderzeń gwiazd neutronowych itp. Te cząstki poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a ich zderzenia z jądrami atomów budujących naszą atmosferę dają kaskadę cząstek wtórnych, pośród których najliczniej występują różnego rodzaju mezony, w tym piony.

Tu krótkie przypomnienie: mezony to cząstki zbudowane z pary kwark–antykwark; nie są to cząstki trwałe i szybko ulegają rozpadowi. Produktem takich rozpadów są właśnie miony, które są również cząstkami nietrwałymi – ich średni czas życia wynosi 2,197 · 10−6 s, czyli w przybliżeniu 2,2 mikrosekundy. I tu można właściwie zapytać: to jakim cudem chcemy je łapać w domu, skoro do warstw atmosfery, gdzie powstają, mamy jednak kawałek liczony w dziesiątkach kilometrów, podczas gdy tak krótki czas życia pozwala na przebycie dystansu jakiśch 660 metrów, co możemy łatwo udowodnić, przekształcając wzór V = s/t, aby uzyskać s, czyli drogę? Rozwiązaniem tej zagadki jest V, jakie musimy umieścić w tym równaniu – powstałe miony poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a przecież Einstein miał rację! Pamiętacie o zjawisku znanym jako dylatacja czasu? Jeśli jakiś obiekt w stosunku do nas porusza się z prędkościami bliskimi c, to jego czas płynie wolniej w stosunku do naszego. O ile wolniej? Da się to dość łatwo obliczyć, jeśli wiemy, z jaką prędkością taki mion się porusza – dla uproszczenia przyjmijmy, że jest to 99% prędkości światła w próżni:

Pod grecką literą gamma kryje się tzw. czynnik Lorentza, który mówi nam, że zegar takiego mionu w stosunku do naszego „tyka″ około 70 razy wolniej, co oznacza, że jego 2,2 mikrosekundy wyglądają dla nas jak 0,15 milisekundy, a więc taki mion może przebyć znacznie większy dystans, bo około 40 kilometrów. Miony, które obserwujemy, są kolejnym dowodem na to, że Einstein miał rację, a takie efekty naprawdę istnieją! To jak złapać taki mion w kuchni? Samą cząstkę to będzie ciężko – obiektów tak małych gołym okiem zobaczyć się nie da, okiem ubranym (poprawnie: uzbrojonym, ale nie mogłem się powstrzymać) także. Możemy jednak zaobserwować efekty, jakie wywołują, a konkretnie trajektorie, po jakich się poruszają, za pomocą urządzenia, które zbuduje każdy bez większej wiedzy technicznej przy pomocy rzeczy, które są do nabycia bez większych kłopotów w sklepach i przez internet. Mam tu na myśli coś, co jest szerzej znane jako komora mgłowa lub komora Wilsona, za pomocą której udowodniono między innymi istnienie pozytonów.

Komora mgłowa czyli domowy detektor cząstek

Sama nazwa tego urządzenia sugeruje jego zasadę działania: w jej wnętrzu nie ma cząsteczek np. pyłów, na których powierzchni para mogłaby ulegać kondensacji. Z pewnością słyszeliście pojęcie „jądra kondensacji″: jest to właśnie taka cząsteczka, na której para może zacząć się skraplać. Nie musi być to koniecznie pył czy kurz. Takie właściwości mają również jony, które powstają, gdy we wnętrzu naszej komory znajdzie się cząstka obdarzona sporą energią. Pary alkoholu ulegną kondensacji na powstałych na trasie takiego przelotu zjonizowanych cząsteczkach, czego efektem będą „chmurki″ o różnej grubości i długości, o czym za chwilę.

To tyle teorii a teraz powiedzmy sobie jak zbudować taką „pułapkę na miony″? No to poniżej lista zakupów:

Prawda, że nic skomplikowanego? Jeśli nie uda się wam zdobyć akwarium w tych rozmiarach, spokojnie może zostać zastąpione np. plastikowym pudełkiem (z tym że plastik musi być przezroczysty); filc można spokojnie zastąpić inną tkaniną. Blachy zaś muszą dobrze pasować do pojemnika, tak aby powstające wewnątrz pary nie uchodziły na zewnątrz. Z braku blach można wykorzystać jakiś pojemnik i przykryć go metalem w kolorze czarnym, co zapewni dobry kontrast i ułatwi obserwacje. Całość brzmi banalnie i taka jest – a przy pomocy tej metody uzyskano dwie nagrody Nobla 🙂

Suchy lód umieszczamy na dnie jednej z blach – można go dodatkowo pokruszyć tak, aby powierzchnia była pokryta możliwie równomiernie. Przypominam, że suchy lód to zestalony dwutlenek węgla, więc eksperyment należy przeprowadzić w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, a dłonie i oczy należy ochraniać za pomocą rękawic i gogli. Blachę z lodem przykrywamy drugą. Filc umieszczamy na dnie akwarium – przytwierdzić można go w dowolny sposób; ważne, aby unikać różnych klejów, gdyż te zostaną błyskawicznie rozpuszczone przez izopropanol, którym należy nasączyć wspomniany filc. Alkoholu powinno być tyle, aby tkanina była mokra, ale by z niej nie kapało, gdy odwrócimy akwarium do góry dnem i umieścimy na blachach z suchym lodem. Eksperyment prowadzimy po ciemku, a wnętrze komory należy oświetlić latarką. Po kilku minutach wnętrze komory powinno wypełnić się oparami alkoholu chłodzonymi przez suchy lód; skrzypiące dźwięki są całkowicie naturalną konsekwencją zetknięcia metalu z tak zimną powierzchnią. Po kwadransie będziecie widzieli już liczne ślady, które są konsekwencją przelotu różnych rodzajów cząstek. Poniżej ilustracja:

Chude, proste linie to miony lub antymiony. Taki kształt tworzącej się „chmurki″ wynika z tego, że poruszają się niezwykle szybko, a więc posiadają dużą energię kinetyczną. Jeśli zauważycie nagłe załamanie lini tak jakby cząstka gwałtownie skręciła, to zaobserwowaliście rozpad mionu na elektron i odpowiednie neutrina. Gruba, krótka chmurka to dowód na istnienie ciężkich cząstek alfa, a cieniutka, pofalowana to zjawisko związane z odpychaniem się elektronów o tożsamym ładunku.

Gorąco zachęcam do przetestowania tej metody detekcji cząstek oraz do zadawania pytań. No i może podzielenia się efektami eksperymentu 🙂

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem

Dlaczego złoto jest złote?

Lucas BergowskyLeave a comment

W poprzednim tekście obiecywałem, iż w obecnym poruszę temat unifikacji oddziaływań, jednakże pytania czytelników zgodnie z polityką naszego bloga mają zawsze pierwszeństwo, szczególnie, jeśli ciężko odpowiedzieć jednym zdaniem. Czytelnik na portalu X (dawn. Twitter) zadał pytanie o efekty relatywistyczne, które możemy obserwować w życiu codziennym. Pewnie większości z was przychodzi do głowy dylatacja czasu, którą musimy uwzględniać dla poprawnego działania systemu GPS.

A co powiecie na to, że z takich efektów wynika obserwowana przez nas barwa złota? Jeśli mowa o rzeczach takich jak “obserwacja” i “barwa”, to ewidentnie rozmawiamy o świetle widzialnym, które, jak pamiętamy, jest strumieniem fotonów o określonych energiach. Jeśli oświetlimy jakiś przedmiot, to owe fotony na niego natrafią i część zostanie pochłonięta, a część odbita. Nie ma w tym stwierdzeniu nic odkrywczego, tak jak i w kolejnym – przedmiot składa się z atomów, które zbudowane są z jądra i chmury elektronowej. To, gdzie należy szukać owych elektronów w chmurze, nie jest sprawą prostą, ale za pomocą matematyki w przybliżeniu określamy takie obszary, które znamy jako orbitale. Elektron, aby przebywać na określonym orbitalu, musi posiadać pewną energię, a więc związany z tym pęd. Przeskok z orbitalu na orbital jest możliwy, jeśli elektron pochłonie foton o określonej energii lub go wyemituje.

fot. CC BY 3.0

Jeśli pamiętacie, skąd bierze się zjawisko znane jako tęcza, lub bawiliście się kiedyś czymś, co potocznie znane jest jako „pryzmat″, to doskonale wiecie, że światło białe można rozszczepić tak, by otrzymać różne barwy.

fot. CC BY 3.0

Łącząc te dwa fakty, można łatwo wywnioskować, dlaczego przedmioty mają tak różne barwy. Składają się przecież z różnych pierwiastków, czyli z atomów, które pochłaniają fotony o określonych energiach, umożliwiając przeskok, a następnie zeskok elektronu z orbitalu na orbital, co wiąże się z emisją kwantu światła – fotonu. Czyli, mówiąc prosto, pochłanianie fotonów o pewnych energiach, odpowiadających fali światła w pewnych długościach, powoduje, że odbite światło nabiera koloru. Jaki ma to związek z barwą złota? Przedmioty wokół nas mają raczej barwy „konkretne″, chyba że rozmawiamy o metalach. Zgódźmy się co do tego, że większość z nich jest raczej… no właśnie – jaka? Srebrzysta o pewnym połysku, a nawet dająca lustrzane odbicia, jeśli zachować odpowiedni poziom gładkości powierzchni. No, jest jakaś taka niekonkretna.

Przepraszam za kolejne zdanie, ale chociaż jest wybitnym przykładem „masła maślanego o smaku masła″, to z czasem nabierze więcej sensu – metalowa barwa większości metali wynika z tego że są metalami.

O samych metalach można powiedzieć, że ich wewnętrzna struktura jest siecią krystaliczną, co oznacza, że elektrony nie są związane z konkretnym atomem, a ich energie zawierają się w szerszym przedziale. Czyli pochłaniają fotony z szerokiego zakresu energii, a następnie szybko je emitują z taką samą energią i kierunkiem zgodnym z zasadą zachowania pędu. Powoduje to odbijanie światła we wszystkich zakresach i brak określonego koloru. Bardziej trwałe przejścia energetyczne powodujące pochłonięcie konkretnej długości fali w takiej sieci wymagają fotonu o znacznie większej energii; mowa tu o zakresie ultrafioletu, którego nie widzimy, a pozostałe światło jest już odbijane, stąd metale nie mają własnego koloru.

I pewnie w tym momencie usłyszę że jednak tak nie jest do końca, i nawet nie chodzi o złoto, od którego rozpoczęliśmy. Spójrzmy na poniższą ilustrację:

fot. CC BY 3.0

Tak, jest to metal, który każdy zna, i jak doskonale widzimy, jest faktem, że miedź ma barwę żółto-czerwoną. No to jak to jest z tą miedzią? Odpowiedź kryje się w popularnym stwierdzeniu, że w chemii obowiązują zasady, od których jest mnóstwo wyjątków. Miedź posiada 29 protonów jądrze i tyle samo elektronów w chmurze, która je otacza. Jak pamiętamy, elektrony zapełniają kolejne powłoki według porządku określonego tzw. „regułą Hunda″, jak na ilustracji poniżej:

fot. CC BY 3.0

Na pierwszej powłoce zawierającej jeden orbital typu s mieszczą się dwa elektrony, na kolejnej mieści się ich osiem, następnie 18 i tak dalej. Elektrony zaczynają zapełniać kolejną powłokę po wypełnieniu poprzedniej. Tylko że od tej reguły jest wyjątek – pierwiastki takie jak miedź, chrom, złoto czy srebro mają wypełnioną podpowłokę d kosztem elektronu z ostatniej, najbardziej zewnętrznej s. Z jakiegoś powodu okazuje się to korzystniejsze energetycznie. Skoro ostatnia podpowłoka nie jest w pełni zapełniona, to elektrony mogą na nią przeskakiwać, korzystając z mniejszej ilości energii, czyli fotonów zawierających się w zakresie światła widzialnego. W przypadku miedzi są to fotony odpowiadające barwie fioletowej i błękitnej; ich pochłonięcie powoduje powstanie obserwowanej przez nas wypadkowej barwie żółto-czerwonej, pomarańczowej, rudej czy rudo-brunatnej w zależności od tego, kto patrzy.

Czyli ma się rozumieć, że w przypadku złota jest tak samo? Za jego barwę odpowiada wspomniane zjawisko promocji elektronowej? Nie.

Jądro złota jest większe i cięższe od jądra miedzi, co oznacza, że elektron jak najbardziej może taki przeskok wykonać, ale wymaga to większej energii – jak wynika z obliczeń, znów jest to zakres ultrafioletu, czyli złoto powinno wyglądać tak, jak choćby leżące nad nim srebro. Tylko że nie wygląda. Rozwiązania tego problemu nie potrafiliśmy znaleźć ani za pomocą mechaniki klasycznej, ani kwantowej. Odpowiedź, jak się okazało, leżała zupełnie gdzie indziej – właśnie we wspomnianej relatywistyce i opisywanych przez nią efektach. Przecież elektrony się poruszają, a jeśli to robią to na pewno z jakąś prędkością. Z jaką?

To zależy, o którego elektronu prędkości rozmawiamy; największe znaczenie ma dla nas prędkość najbardziej zewnętrznego elektronu. Można ją obliczyć wyłącznie w przybliżeniu, gdyż elektrony nie przypominają przecież planet krążących po orbitach, ale coś bardziej rozmytego. Pomimo tego nadal można im przypisać moment orbitalny i pęd. Im jądro jest większe, tym szybciej musi poruszać się „najbardziej zewnętrzny″ elektron. Prędkość tę opisuje wzór Z/α · c gdzie Z oznacza liczbę atomową, α to stała struktury subtelnej, a c to oczywiście prędkość światła. W przypadku jąder atomów takich jak złoto prędkości te stają się istotnymi ułamkami prędkości c , a to oznacza, że podlegają efektom takim jak np. relatywistyczny wzrost bezwładności ciał w ruchu (popularnie, choć niezbyt szczęśliwie nazywany relatywistycznym wzrostem masy). Podlega mu również elektron na ostatniej powłoce, co powoduje zmniejszenie rozmiaru powłoki, a więc i energii orbitalnej, co oznacza, że powłoki „zbliżają się do siebie″, a przeskok elektronu wymaga mniejszej energii, która znów odpowiada fotonom z zakresu barw fioletu i błękitu, co daje obserwowany przez nas złoty kolor tego metalu i nie tylko. Skoro elektron jest bliżej jądra, to jego „oderwanie″ wymaga większej energii, co powoduje, że złoto niechętnie wchodzi w reakcje chemiczne. Mniej chętne tworzenie wiązań metalicznych skutkuje słabszym przyciąganiem się do siebie atomów w metalu, a co za tym idzie, dużą miękkością, jak w przypadku miedzi. Efekty te powodują też wysoką przewodność cieplną i elektryczną.

Efekty te obserwujemy również w przypadku innych metali. Cez w stanie czystym ma barwę jasno-złotą. Jeszcze ciekawiej jest, gdy pomyślimy o rtęci, która w temperaturze pokojowej pozostaje płynna. Ponieważ ma w pełni wypełnione podpowłoki 5f i 6s, co powoduje że nie jest skłonna do tworzenia wiązań również sama z sobą, a ponadto relatywistyczne zwiększenie bezwładności dotyczy pary elektronów, co oznacza, że wiązanie Hg-Hg jest na tyle słabe, że mogą je zerwać same drgania termiczne.

Kończąc – jak sami widzicie, prawa fizyki objawiają się nam często w bardzo nieoczywisty sposób. Mam nadzieję, że zaspokoiłem waszą ciekawość. Jeśli nie, to zapraszam do zadawania pytań!

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem

Diagramy Feynmana i Model Standardowy

Lucas BergowskyLeave a comment

Gdybym zapytał o to, co opisuje teoria powszechnego ciążenia sformułowana przez Newtona, to zapewne odpowiedzielibyście intuicyjnie, że jest to teoria opisująca oddziaływania pomiędzy masywnymi obiektami (choć zapewne ciut innymi słowami). I jest to prawda – znany wszystkim wzór opisuje właśnie wzajemne przyciąganie takich ciał:

fot. CC BY 3.0

Warto wobec tego zapytać, czy mamy teorię, która opisuje oddziaływania pomiędzy obiektami w naszym Wszechświecie w jak największej ogólności. Teorii Wszystkiego nadal nie mamy i nadal jej szukamy, ale mamy inną teorię, która opisuje materię na najniższym ze znanych nam poziomów i oddziaływania pomiędzy cząstkami ją budującymi a tymi, które oddziaływania przenoszą, i nie tylko. Teorią tą jest oczywiście Model Standardowy:

fot. CC BY 3.0

Ten obrazek sporo mówi o graczach, ale bardzo niewiele o grze, w której biorą udział. Przypominam po raz kolejny: nie ma żadnych „cząstek”, ale są wzbudzenia pól kwantowych. Elektron nie jest cząstką w formie kulki, ale efektem pobudzenia pola kwantowego energią 0,511 MeV. Stąd polecam myśleć o cząstkach nie jak o maleńkich kuleczkach, ale jak o maleńkich falach. Każdy typ cząstki jest wzbudzeniem pola kwantowego o odpowiednich cechach: pole fotonowe różni się od pola neutrina elektronowego itp. Matematyka, która stoi za tym niewinnym obrazkiem to ten potwór:

O ile wzór opisujący wzajemne przyciąganie obiektów da się wytłumaczyć na skrawku papieru, o tyle tu warto by mieć kilka lat i kilka grubszych zeszytów, aby opisać każdy z elementów, które tu widzimy, oraz ich wzajemne powiązania. Nie jest to praca jednego człowieka, ale setek naukowców na przestrzeni wielu lat. Jako że chciałbym to wyjaśnić w formie „do kawy”, to skorzystamy z barbarzyńsko skróconej wersji „tego czegoś” i pokażemy sobie, jak można to zobrazować za pomocą bardzo intuicyjnych diagramów.

Tak więc od początku: „to coś” to jest lagranżjan. Jeśli to słowo nic nie wyjaśnia, to spokojnie – automatyczna korekta również podkreśla je na czerwono. Bez wchodzenia w matematykę, jest to suma energii zawartych w tym modelu. Dlaczego nie mas i energii? Bo E=mc2 :). Prostsza, barbarzyńska wersja wygląda tak:

Jeśli to dalej wygląda niezrozumiale, to absolutnie mnie to nie dziwi: jak ktoś mądrze zauważył, do mechaniki kwantowej wystarczy znać trzy liczby i cztery alfabety. Więc spójrzmy sobie na ten zapis wiersz po wierszu.

Pierwszy z nich opisuje to, jak bozony, a więc wzbudzenia odpowiednich pól, oddziałują z sobą:

Powtarzające się w każdym z członów greckie litery μ (mi) i ν (ni) reprezentują trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy. Pierwszy człon opisuje pole związane z fotonem, czyli nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych. Jest tylko jeden rodzaj wzbudzenia takiego pola, którym jest foton, nie przenoszący ładunku elektrycznego, co oznacza, że fotony nie reagują same z sobą w tym zakresie. Kolejny człon opisuje pola związane z oddziaływaniem słabym i przenoszące je wuony, mogące mieć dodatni lub ujemny ładunek elektryczny, oraz neutralny zeton. Ostatni reprezentuje wzbudzenia pola sił kolorowych, czyli gluony. Istnieją po trzy kolory i antykolory; każdy z gluonów ma podwójny ładunek kolor-antykolor, co daje nam osiem różnych rodzajów gluonów, które oddziałują również same z sobą.

Matematykę związaną z tymi interakcjami można zapisać przy pomocy diagramów Feynmana w następujące sposoby:

Kolejna część tego zapisu opisuje interakcje pomiędzy polami fermionowymi a polami bozonów, czyli po polsku – są to opisy oddziaływań pomiędzy materią a siłami takimi jak elektromagnetyzm, oddziaływania silne i słabe:

Suma kwarków reprezentuje wszystkie sześć rodzajów: górny, dolny, dziwny, powabny, prawdziwy i piękny. Ponieważ istnieje antymateria, która również oddziałuje z siłami, mamy q i q „z kreską”, jednostka urojona i zaś to takie matematyczne narzędzie, które pozwala korzystać z większego zakresu wartości niż tylko liczby rzeczywiste. Urojona – bo trzeba sobie uroić, że takie wartości istnieją: wolno z nich korzystać w równaniach tak długo, jak długo nie pojawiają się w wynikach, bo to oznacza że nie mają one fizycznego sensu. Więcej o tych tworach i ich zastosowaniu w tekście Piotra Gąsiorowskiego Liczby nie całkiem urojone – historia w trzech aktach. Akt I: Początki i kolejnych częściach tego cyklu.

Kolejne dwa wersy to opis interakcji leptonów, a więc elektronu, mionu, taonu i odpowiadających im neutrin z poszczególnymi siłami. Zapis ten nie różni się znacząco od zapisu takich interakcji w przypadku kwarków, choć na pierwszy rzut oka widać, że jest tak jakby zdublowany, choć leptonów i antyleptonów jest – tak jak kwarków i antykwarków – łącznie dwanaście. Rozwiązaniem są litery L i R przy greckiej literze psi (ψ). Litery te oznaczają cechę cząstki, jaką jest jej „skrętność”. Cząstka jest prawoskrętna, jeśli jej spin jest zgodny z kierunkiem jej ruchu, a lewoskrętna, jeśli spin jest ułożony w kierunku przeciwnym. Należy to rozróżnić, gdyż pośród leptonów tylko elektron, mion i taon mogą być prawo lub lewoskrętne, podczas gdy prawoskrętnych neutrin nigdy nie zaobserwowano, a interakcje leptonów R i L z siłami nie są dokładnie takie same. Matematyka powyżej jest przedstawiana przy pomocy takich diagramów:

Gluony oddziałują z kwarkami, a neutrina z bozonami W i Z. Wszystkie fermiony poza neutrinami oddziałują elektromagnetycznie. Kolejna część tego zapisu dotyczy pola Higgsa, a dokładnie interakcji bozonów cechowania i interakcji pola Higgsa z samym sobą:

Jakie to ma znaczenie dla naszego Wszechświata? Jak pamiętacie z tekstu O polach które łączą – nie tylko ludzi, pole Higgsa ma niezerowy potencjał i z powodu interakcji z nim bozony W i Z stają się masywne. Niezerowy potencjał pola Higgsa sprawia, że jego bozon jest również cząstką masywną – i to całkiem, bo waży ok. 125 GeV, co wyróżnia się na tle rzędy wielkości lżejszych kwarków i leptonów czy bezmasowych fotonów i gluonów. Więcej o naturze tego oddziaływania w kolejnym tekście, w którym wyjaśnimy również znaczenie prawo- i lewoskrętności leptonów dla tego pola. Tymczasem interakcje te na diagramach Feynmana wyglądają tak:

Kolejną częścią jest zapis opisujący interakcje pomiędzy polami fermionowymi a polem Higgsa, czyli zapis tego, w jaki sposób materia zyskuje swoją masę spoczynkową:

Znów mamy L i R dla cząstek lewo i prawoskrętnych oraz grecką literę ϕ (phi) dla pola Higgsa. Y, czyli współczynnik Yukawy, opisuje „jak mocno” pola oddziałują z polem Higgsa. Im mocniejszy charakter tego oddziaływania, tym większa masa spoczynkowa cząstki. Znajdujący się na końcu „h.c” to taki matematyczny zapis, który w tym przypadku reprezentuje te same interakcje pomiędzy polami, ale w przypadku antymaterii, która skoro istnieje w naszym Wszechświecie, to bez wątpienia musi być w tym zapisie ujęta. Przykładem na diagramie może być rozpad bozonu Higgsa na parę kwark prawdziwy i takiż antykwark:

No to podsumowując raz jeszcze cały zapis – nie jest to nic innego, jak opis znanych nam cząstek i ich interakcji z siłami. Nie jest to opis pełny, gdyż nadal brakuje w nim grawitacji, jak również tzw. „ciemnej materii” oraz „ciemnej energii”:

Tak działa Wszechświat! A konkretnie to jest jakieś 5% wiedzy o nim, co i tak stanowi spory krok od czasów starożytnych, gdzie interpretowano ogień jako ostre cząstki. Zapis matematyczny może i odrzuca, ale pamiętajcie, że każdy z tych procesów oraz te, które z nich wynikają, można zapisać w przyjaźniejszy sposób za pomocą diagramów Feynmana. Zapis jest niezwykle prosty, gdyż linie ciągłe reprezentują w nim fermiony, a różne sprężynki i fale – bozony. Diagramy można obracać i łączyć w większe grupy, aby intuicyjnie zrozumieć różne zjawiska. Poniżej kilka przykładów dla elektromagnetyzmu:

Pod numerem 1 znajduje się proces emisji lub absorpcji fotonu przez elektron. W taki sposób elektrony przeskakują pomiędzy powłokami elektronowymi w atomie. Wymuszona emisja takich fotonów to nic innego niż sposób działania lasera. 2 – to odpychanie elektronów o tożsamym ładunku elektrycznym które polega na wymianie wirtualnego fotonu pomiędzy elektronami. 3 – to kreacja par elektron–pozyton lub jej anihilacja, a pod numerem 4 kryje się zjawisko znane jako „polaryzacja próżni” pod wpływem powstających wirtualnych par cząstek z ładunkiem elektrycznym. Jak łatwo zauważyć, cechą tych diagramów jest to, że cząstki, które „poruszają się w czasie w tył”, to cząstki reprezentujące antymaterię. Podróże w czasie są oczywiście niemożliwe i żadna cząstka w tył nie podróżuje.

Kolejny diagram przedstawia proces z królestwa oddziaływań słabych – przemianę neutronu w proton w procesie znanym jako „rozpad beta minus”:

Przemiana taka następuje, gdy jeden z kwarków dolnych zmienia zapach i emituje za pośrednictwem wuonu elektron i odpowiednie antyneutrino. Oddziaływania silne zapisane za pomocą tych diagramów są najbardziej złożone z nich wszystkich z uwagi na mnogość kombinacji ładunków kolorowych. Możecie sami skonstruować takie diagramy dla dowolnego zjawiska i dowolnej cząstki – warunkiem jest aby suma ładunków i spinów na początku i końcu się zgadzała tj. aby elektron i jego ładunek ujemny nie pojawił się znikąd a za pośrednictwem Bozonu W–, aby po wymianie pary kwar-antykwark (mezonu) pomiędzy protonem i neutronem (barionami) ładunek koloru nadal pozostawał neutralny itp.

Oczywiście to wszystko, co widzicie powyżej, jest znacznym uproszczeniem całości a sam zapis matematyczny w moim wykonaniu nie w pełni oddaje całość teorii, ale przecież „nieścisłości są warunkiem rozmowy”, jak mawiał Feynman, następnym razem porozmawiamy zaś o tym, skąd wziął się w fizyce beton i dlaczego oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne to w gruncie rzeczy to samo.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.