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