Alicja w krainie kwantów

Kojarzycie może taki wynalazek, jak telewizor kineskopowy?

fot. domena publiczna

Często przy jego uruchamianiu padało polecenie “zapal telewizor”, a równie dobrze mogłoby to być: “ognia!”. Zasada działania takiego telewizora jest banalnie prosta i ściśle związana prawami rządzącymi cząstkami, które posiadają ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, w tym wypadku są to elektrony. Istotną częścią takiego telewizora jest tzw. “działo elektronowe” które, jak sama nazwa wskazuje, strzela elektronami uformowanymi w wąską wiązkę która pada w odpowiednie miejsce ekranu pobudzając go do świecenia. Jak przekonać taką wiązkę do padania w określone miejsca ekranu? Za pomocą pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez cewki, które uginają wiązkę we wskazanym kierunku. Wczesne telewizory tego typu były monochromatyczne, czyli po prostu “czarno-białe”. Późniejsze “kolorowe” posiadały nie jedno działo, ale trzy, których wiązki pobudzały odpowiednie miejsca ekranu do świecenia na czerwono, niebiesko lub zielono a z kombinacji tych barw można przecież uzyskać wszystkie inne.

Prawda, że to proste? Strzelamy z działa elektronami w ścianę, która się świeci przy trafieniu. Jeśli komuś przypomina to dziecięcą zabawę, to w pełni się zgadzam. Jeśli zaś kojarzycie zabawę w zderzanie rozpędzonych samochodzików, to powiem że fizycy bawią się w podobne rzeczy. Takim placem zabaw na którym zderza się rozpędzone obiekty, jest LHC czyli Wielki Zderzacz Hadronów. Tą nazwę zapewne słyszeli praktycznie wszyscy i pewnie wielu orientuje się że jest “Wielki” bo ma 27 kilometrów długości i jakieś 8 średnicy. Że “Zderzacz”, to dlatego, że zderza się tam cząstki nazywane hadronami. Już tłumaczę, co to kryje się pod tą niezbyt przyjemną dla ucha nazwą. Hadronami nazywamy wszystko to co składa się kwarków a więc bariony (proton, neutron i inne) i mezony (para kwark-antykwark np. piony).

Po co właściwie zderzać z sobą różne cząstki? Żeby je rozbić i zobaczyć z czego się składają. I tak jak dzieci taki i fizycy wiedzą, że im mocniej zderzać różne rzeczy z sobą, tym więcej będzie różnych odłamków. Tu przypominam że atomy rozbijamy od dawna choćby w elektrowniach atomowych, gdzie czerpiemy energię z rozpadu jąder uranu lub plutonu. Rozbicie atomu nie wymaga szczególnie dużo energii, jest to rząd kilkuset elektronowoltów (eV). Energie, w jakich zderzane są z sobą cząstki w LHC liczone są w teraelektronowoltach (TeV) czyli w bilionach elektronowoltów. Żeby uświadomić sobie, jaka to energia to odnieśmy to do sytuacji znanej z życia codziennego – jeśli w letni dzień uderzy w ciebie rozpędzony komar to jest jego energia jest mniej więcej tego rzędu. W przypadku zderzanych protonów cała taka energia zgromadzona jest w pojedynczym obiekcie podczas gdy w komarze takich obiektów jest trylion czyli 1018. Jak uzyskać taką energię dla pojedynczych protonów? Znów z pomocą przychodzi nam pole elektromagnetyczne. Na całej trasie jest umieszczona odpowiednia aparatura w postaci np. elektromagnesów, które dają protonom pożądane “kopniaki” przy każdym okrążeniu.

fot. Anna Pantelia/CERN

Jeśli przyjrzeć się dobrze, to okazuje się że ów zderzacz to w gruncie rzeczy rura o średnicy około 8 centymetrów umieszczona wewnątrz innej zawierającej resztę rzeczy, takich jak wcześniej wspomniane cewki, które odchylają rozpędzone wiązki protonów w odpowiednimi kierunku. Gdyby owa rurka była wypełniona powietrzem lub innym gazem, to nie uniknęlibyśmy zderzeń protonów z jego cząsteczkami. Dlatego też, jak łatwo się domyślić, ciśnienie wewnątrz rury jest bardzo niskie. Jak szybko poruszają się takie wiązki? Bardzo szybko, bo dystans 27 kilometrów tunelu pokonują 11 tysięcy razy na sekundę. Skoro ich ruchem da się manipulować za pomocą elektromagnesów to istnieje możliwość zderzenia wiązek wystrzelonych w dwóch różnych kierunkach. Zaznaczam, że chodzi o wiązki. Strzelanie pojedynczymi protonami nie ma większego sensu bo jak wyznaczyć punkt spotkania obiektom o rozmiarach rzędu bilionowych części metra? Stąd używa się wiązek liczących miliardy obiektów które zderzają się z sobą czołowo przy prędkościach rzędu 99.9999999% prędkości światła.

Zabawnym jest fakt, że do obserwacji zderzeń obiektów tak małych używa się detektorów, które wcale nie są małe. Na zdjęciu poniżej detektor ALICE który jest naprawdę wielki – waży ponad 10 000 ton przy wysokości 16 metrów.

fot. Antonia Saba/CERN

Właśnie przy pomocy takiej ogromnej “Alicji” podglądamy świat kwantów i powstających w takich zderzeniach cząstek. Tu od razu zaznaczam, że nie da się tego robić w czasie rzeczywistym. Nikt z nas nie potrafiłby obserwować milionów takich zderzeń na sekundę, te obiekty są po prostu zbyt małe. Stąd ALICE posiada w sobie mnóstwo czujników, które niczym aparaty “fotografują” każdą z takich kolizji. Jak do tej pory nie istnieją również komputery zdolne do analizy takiej ilości danych “w locie”, więc są one przez długie tygodnie filtrowane i analizowane przez superkomputery i naukowców w CERN i nie tylko w poszukiwaniu tych dotyczących tego co najciekawsze czyli zderzeń czołowych. ALICE to niejedyny detektor, pozostałe to np. TOTEM, MoEDAL czy ATLAS Nazwy tych eksperymentów to oczywiście akronimy o których pisała wcześniej @favoreq. Pod nazwą ALICE kryje się A Large Ion Collider Experiment czyli eksperyment z dużym zderzaczem jonów a taki ATLAS to A Toroidal LHC ApparatuS czyli toroidalna aparatura LHC. Pozostałe akronimy brzmią równie dziwacznie gdy je rozwinąć.

Zderzanie cząstek, aby zajrzeć do ich wnętrza i odnaleźć nowe, to niejedyny cel. Drugim z nich jest zaglądanie w przeszłość i to bardzo daleką przeszłość. Ogromna energia tych zderzeń odwzorowuje w tej niewielkiej skali warunki, jakie panowały w pierwszych chwilach istnienia wszechświata a więc można powiedzieć że akcelerator cząstek to nie tylko mikroskop, ale też forma teleskopu.

Właśnie takie zderzenia dały nam wiedzę, którą zawarliśmy w modelu standardowym o którym pisałem poprzednim razem. Sześć kwarków i sześć leptonów budujących materię i bozony przenoszące oddziaływania.

Tu warto podkreślić, że bozony odpowiedzialne za oddziaływanie słabe (W i Z) oraz bozon Higgsa odkryto właśnie dzięki eksperymentom prowadzonym w LHC. Czym jest samo oddziaływanie słabe oraz jaki ma z nim związek bozon Higgsa? O tym kolejnym razem.

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

5. O oglądaniu rzeczy małych.

Pewnie wielu z was widziało niesamowite fotografie małych rzeczy np. bakteria, atom, pyłek kwiatu w niesamowitej ostrości i z dużą ilością detali. Wykonanie fotografii roztocza z taką ilością szczegółów nie byłoby możliwe gdyby materia nie posiadała owej dziwacznej dualnej natury.

fot: National Science Foundation

Myślę, że dla każdego z nas jest oczywistym, iż w ciemnym pomieszczeniu widać mało a żeby cokolwiek dostrzec, to trzeba je oświetlić. Żeby dostrzec drobne elementy to trzeba je oświetlić bardziej i dokładniej o czym wie każdy kto w życiu miał okazję usłyszeć słynne zdanie: “mnie świecisz czy sobie?!”. Dokładnie na tej samej zasadzie działają klasyczne mikroskopy – oświetlamy oglądane próbki światłem, które niczym fala odbija się i trafia do naszych oczu pełniących. Generalną zasadą jest tu, aby długość fala mniej więcej odpowiadała rozmiarom oglądanego obiektu. Im mniejszy jest obiekt, tym krótszej fali należy użyć. I tu zaczynają się schody prowadzące do mikroświata. Taką granicą dla światła, czyli fotonów, wydaje się być ok. 200 nm. Tu przypominam – nanometr to miliardowa część metra. Weźmy do ręki linijkę – spójrzcie na odległość milimetra, aby uzmysłowić sobie jak wygląda nanometr należałoby podzielić ten milimetr jeszcze na milion części. Jednak w mikroświecie taka długość fali to i tak bardzo dużo. Przyczyną jest relatywnie niewielki pęd fotonów.

Pamiętacie z poprzednich części te wzory? Skoro każdemu obiektowi, który pęd posiada, można przypisać falę o określonej długości to może warto skorzystać z innych cząstek? Na taki pomysł wpadli w Berlinie E. Ruska i M. Knoll w 1931r. którzy postanowili posłużyć się elektronami które łatwo rozpędzić pomiędzy katodą a anodą o odpowiedniej różnicy napięć. Im większa ta różnica, tym krótsza jest długość fali takiego elektronu a więc można oglądać naprawdę małe obiekty w niesamowitej rozdzielczości. Małe obiekty naprawdę łatwo rozpędzić do prędkości bliskich prędkości światła, a gdy ich strumień napotka próbkę, może zadziać się kilka rzeczy – elektrony mogą się odbić od powierzchni próbki lub wybić z jej powierzchni inne, a skoro mogą się odbić, to my możemy je zarejestrować. Dobrym modelem takiej sytuacji jest zabawa polegająca na obrzucaniu jakiegoś przedmiotu ukrytego pod stołem piłeczkami do ping-ponga i próba odgadnięcia kształtu obiektu. Jeśli rzucimy takich piłeczek odpowiednio dużo, to zadanie wydaje się być banalne, zwłaszcza jeśli zaprząc do pracy kilka komputerów które na podstawie zarejestrowanych piłeczek stworzą nam obraz obrzuconego obiektu. W przypadku próbki odpowiednio cienkiej, fale elektronów mogą ją zwyczajnie przeniknąć.

Skoro te urządzenia są tak banalnie proste w działaniu, to dlaczego nie są stosowane wszędzie i do wszystkiego? Nie wszędzie aż taka rozdzielczość jest potrzebna, drugą kwestią jest to iż aby elektrony mogły działać swobodnie to próbka musi być umieszczona w próżni i odpowiednio przewodzić prąd. Jak widać problem dotyczy głównie próbek “biologicznych” i można go rozwiązać w dość prosty sposób. Wystarczy taką próbkę pokryć cieniutką, bardzo cieniutką, warstewką metalu. Wynika z tego że można się również posłużyć samą powstałą “skorupką”.

Nasuwa się tu pytanie – jak głęboko da się tak zajrzeć? Jak widać z wzoru, ogranicza nas prędkość jaką możemy nadać takiemu obiektowi. Pewnie części z was przyszedł do głowy obiekt który jest moim zdaniem jedną z najfajniejszych zabawek jaką obecnie mają naukowcy – Wielki Zderzacz Hadronów!

fot: CERN-PHOTO-202109-138-1

Tak, prace prowadzone w CERN to nic innego jako obserwacja obiektów naprawdę małych. LHC jest jednym z wielu akceleratorów cząstek. Słowo wywodzi się z łaciny i oznacza nic innego jako “przyśpieszam”. Jak łatwo z tego wywnioskować rolą takiego akceleratora jest przyśpieszyć cząstki elementarne do prędkości bliskich prędkości światła. I właśnie takie akceleratory narobiły sporo bigosu w dwudziestowiecznej fizyce. Fizycy znali foton, elektron, proton, neutron i mieli świadomość że te cząstki wykazują również właściwości falowe. Wiecie co się stało gdy zaczęto zderzać z sobą strumienie takich cząstek? Do tego prostego modelu dołączyła cała masa nowych cząstek które nie były ani elektronem ani protonem ani neutronem. W pewnym momencie same tablice nowo odkrywanych cząstek zaczęły przypominać grube tomiszcza – już w latach 60. XX wieku znano ich dobrze ponad setkę. Skąd się to wzięło? Po co? Jeszcze dziwniej zrobiło się gdy zaczęto rejestrować cząstki będące efektem promieniowania kosmicznego, obecnie znamy ponad 600 takich cząstek które pozornie nie mają nic wspólnego z tymi swojskimi które budują atomy które znamy naszej szarej codzienności.

Jak posprzątano ten bałagan? Jaki związek ma z tym twaróg? To będzie część jednej z kolejnych historii.

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