Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

4. LHC i polowanie na bozon Higgsa

Po co wydaje się 7,5 mld euro na budowę zderzacza cząstek? Bo właściwie nie ma innego sposobu na popchnięcie fizyki naprzód. Testowanie przewidywań istniejących teorii (zanim znajdzie się w nich luki wskazujące na konieczność uzupełnienia lub zmiany modelu) wymaga eksperymentów w zakresie olbrzymich energii. Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) to kolisty tunel o średnicy 8.5 km i długości 26,7 km na granicy szwajcarsko-francuskiej, w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN). Tysiące magnesów nadprzewodzących chłodzonych ciekłym helem rozpędzają w nim dwie przeciwbieżne wiązki protonów do takiej prędkości, że każdy z protonów uzyskuje energię kinetyczną 6,5 TeV (6,5 biliona elektronowoltów). Odpowiada to prędkości (względem ścian tunelu) 0,99999999 c, czyli o 3,1 m/s poniżej prędkości światła. W czterech punktach obwodu LHC trajektorie wiązek przecinają się i protony zderzają się czołowo.

Jaka, z punktu widzenia protonu obiegającego LHC, jest prędkość protonu nadlatującego z przeciwka „na czołówkę”? Wbrew pozorom nie jest to wartość bliska podwójnej prędkości światła, bo w teorii względności nie mamy prostego dodawania prędkości, tylko ich relatywistyczne składanie, którego wynik nigdy nie przekracza c. W tym przypadku jest to ok. 0,99999999999999995 c – mniej więcej o 15 nanometrów na sekundę (innymi słowy o niecałe pół metra na rok) mniej niż prędkość światła. Żeby jeszcze bardziej zbliżyć się do c, trzeba by było zainwestować jeszcze więcej energii w rozpędzanie protonów. Nie jest to łatwe, bo pobór mocy przez LHC w trakcie działania i tak już wynosi 200 MW.

Kiedy zderzacz został oddany do użytku w 2010 r., nadawał protonom każdej wiązki energię 3,5 TeV – a było to i tak cztery razy więcej niż poprzedni rekord. Obecną wartość osiągnięto po kilku upgrade’ach sprzętu. Planowany jest kolejny, wymagający kilkuletniego wyłączenia, podczas którego LHC zostanie częściowo przebudowany. W 2027 r. energia protonów ma wzrosnąć do ok. 7 TeV w każdej wiązce, ale przede wszystkim ma dziesięciokrotnie wzrosnąć „jasność” wiązek, czyli liczba zderzeń na sekundę i centymetr kwadratowy przekroju. Jest to ważne, bo LHC generuje całe morze informacji o produktach zderzeń, a fizycy poszukują wśród nich zjawisk skrajnie rzadkich, świadczących o zachodzeniu zdarzeń bardzo mało prawdopodobnych (obserwowanych np. raz na bilion zderzeń), a za to ciekawych. A zatem im więcej rejestrowanych zderzeń, tym większa szansa, że któreś z nich okaże się takim „rzadkim ptakiem”.

Chyba każdy słyszał o tym, że sztandarowym sukcesem LHC było (uzyskane w 2012 r.) potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa, jednego ze „świętych Grali” fizyki cząstek elementarnych. LHC powstał między innymi po to, żeby przeprowadzić łowy na tę konkretną cząstkę. Rezultatem była nagroda Nobla przyznana rok później dwóm spośród sześciu teoretyków, którzy przewidzieli istnienie bozonu Higgsa niemal pół wieku wcześniej, w 1964 r. Jednym z nich był rzecz jasna Peter Higgs, którego nazwisko przylgnęło do bozonu i związanej z nim teorii „mechanizmu Higgsa” i „pola Higgsa”. Regulamin noblowski, ograniczając liczbę osób jednocześnie nagradzanych w danej dziedzinie, niestety często krzywdzi uczonych, którzy niezależnie opublikowali podobne wnioski.

Jedno ze zdarzeń zarejestrowanych przez LHS, w których ujawnił się bozon Higgsa. Źródło: CERN.

Bozon Higgsa ma wielką masę – ok. 126 GeV/c² (porównywalną z masą atomu jodu; spośród znanych cząstek elementarnych tylko kwark t jest jeszcze cięższy) – i właściwie to wszystko, co ma, bo nie posiada ładunku elektrycznego ani kolorowego (związanego z oddziaływaniami silnymi). Ma także zerowy spin, czyli brak mu kwantowego odpowiednika momentu pędu. Krótko mówiąc, gdyby nie masa, bozon Higgsa bardzo skutecznie udawałby, że nie istnieje. Nawet w zakresie energii zderzeń dostępnym w LHC powstaje bardzo rzadko, a rozpada się po ok. 160 joktosekundach. Jedna joktosekunda (1 ys) to kwadrylionowa część sekundy. Żeby dać wyobrażenie o skali tych zjawisk: w czasie życia bozonu Higgsa światło przebywa drogę około jednej dwudziestej pikometra (to tylko 60 razy więcej niż promień protonu). Łatwo sobie wyobrazić, że polowanie na tak rzadką i płochliwą zwierzynę nie może być łatwe. Na szczęście produkty rozpadu bozonu Higgsa są bardzo charakterystyczne, co umożliwiło jego zarejestrowanie, określenie masy (zgodnej z przybliżonymi oczekiwaniami teoretyków) i potwierdzenie zerowego spinu.

Dlaczego bozon Higgsa jest ważny? Bo jest dowodem na istnienie pola Higgsa – szczególnego pola skalarnego o niezerowej wartości jednolicie wypełniającego „pustą przestrzeń” Wszechświata. Sprzężenie z tym polem, tzw. mechanizm Higgsa, wyjaśnia, dlaczego niektóre cząstki elementarne nabywają energii spoczynkowej objawiającej się jako masa (zgodnie ze wzorem m = E₀ c²). Bozon Higgsa jest kwantowym wzbudzeniem pola Higgsa (o ujemnej wartości ładunku słabego), czyli najmniejszą możliwą „zmarszczką”, jaką można zaobserwować na jego powierzchni, zainwestowawszy wiele energii w jej wywołanie. Skoro istnieją te zmarszczki, musi też istnieć ośrodek, który je tworzy. Niezerowa wartość pola Higgsa powoduje, że cząstki elementarne zdolne do wymiany wirtualnych bozonów Higgsa z polem Higgsa oscylują nieustannie między dwoma stanami, umownie nazywanymi lewoskrętnym i prawoskrętnym. Jest to źródło ich wewnętrznej energii niezanikającej w stanie spoczynku, czyli masy. Mechanizm Higgsa łamie symetrię między oddziaływaniami słabymi a elektromagnetycznymi, powodując, że nośniki tego pierwszego (bozony W i Z) są ciężkie, a foton jest bezmasowy.

Cząstki obdarzone masą odznaczają się inercją: jeśli nie działa na nie siła, mogą poruszać się ruchem jednostajnym z prędkością mniejszą niż c lub pozostawać w spoczynku. Można naiwnie sądzić na podstawie codziennego doświadczenia, że posiadanie masy jest czymś oczywistym dla każdego obiektu fizycznego. Tak jednak nie jest: istnieją przecież cząstki o masie dokładnie zerowej (foton, osiem typów gluonów i hipotetyczny grawiton), a masa hadronów (mezonów i barionów, czyli cząstek złożonych z parzystej lub nieparzystej liczby kwarków, w tym protonów i neutronów) bierze się niemal w całości z uwięzionej w nich energii skomplikowanych oddziaływań między składnikami. Wkład masy kwarków generowanej z pomocą pola Higgsa stanowi tylko drobny ułamek całkowitej masy hadronów.

Nie można jednak w analogiczny sposób wyjaśnić masy cząstek naprawdę elementarnych takich jak bozony W i Z, leptony posiadające ładunek (elektron, mion, taon) i wszystkie kwarki. Równania fizyki cząstek byłyby doskonale symetryczne, gdyby wszelkie cząstki elementarne były bezmasowe. Co prawda Wszechświat, jaki znamy, nie istniałby w takim przypadku: nie byłoby atomów ani ludzi. Mechanizm Higgsa włączono do modelu standardowego, żeby wyjaśnić, w jaki sposób (w zakresie energii spotykanych w obserwowalnym Wszechświecie) powstały pewne fundamentalne asymetrie, a niektóre cząstki nieposiadające struktury wewnętrznej uzyskały masę. Nadal nie jest tylko pewne, skąd się bierze zadziwiająco maleńka, ale niezerowa masa neutrin, a także skąd się bierze masa samego bozonu Higgsa, za którą – co może się wydawać zaskakujące – nie odpowiada mechanizm Higgsa. Istnienie ciemnej materii (dotąd niewyjaśnionego składnika Wszechświata) każe podejrzewać, że istnieją mechanizmy generujące masę, o których jeszcze nic konkretnego nie wiemy.

Gdyby upolowanie bozonu Higgsa było jedyną racją istnienia LHC, już dziesięć lat temu można by go było zamknąć i zastanowić się, czy warto było wydać miliardy euro na potwierdzenie teorii z lat sześćdziesiątych. Czy opłaca się nadal ulepszać zderzacz, który spełnił swoją misję, i ładować w kolejne eksperymenty energię, która wystarczyłaby na potrzeby nowoczesnego miasta średniej wielkości? Jednak LHC dostarcza także innych cennych danych na temat budowy materii. W zderzeniach powstają liczne typy hadronów z najrozmaitszymi kombinacjami kwarków i ich stany wzbudzone, od czasu do czasu egzotyczne mezony (tetrakwarki) złożone nie z dwóch, ale z czterech kwarków oraz egzotyczne bariony (pentakwarki) złożone z pięciu kwarków; nie wszystkie dają się łatwo zinterpretować i opisać w ramach standardowej teorii. „Hadronowe zoo”, i tak już duże (pierwszy wielki wysyp hadronów nastąpił w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych), dzięki LHC powiększyło się o ok. 70 nowo odkrytych cząstek złożonych tego typu. Ich badanie znacznie wzbogaca wiedzę o oddziaływaniach silnych, umożliwiając także głębsze zrozumienie struktury cząstek bardziej swojskich, jak proton czy neutron.

Najbardziej ekscytujące byłoby odkrycie wśród analizowanych zderzeń anomalii świadczących o konieczności poważnego przemyślenia na nowo modelu standardowego, a może nawet podważających jego podstawy. Pewną nadzieję dają na przykład anomalie statystyczne zaobserwowane w procesach, w których biorą udział miony. Jednak istotność statystyczna tych obserwacji na razie nie jest na tyle przekonująca, żeby ogłosić jakiś przełom, więc trzeba poczekać na następne sesje robocze LHC.

I na tym kończę listę zaskoczeń fizycznych ostatniego półwiecza. Przepraszam, jeśli się rozgadałem.

Lektura dodatkowa dla Czytelników cierpliwych i nieco zaawansowanych:

https://www.kwantowo.pl/2017/07/09/bozon-higgsa-czyli-dawca-masy-czasu/

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-known-apparently-elementary-particles/the-known-particles-if-the-higgs-field-were-zero/

https://physics.mit.edu/wp-content/uploads/2021/01/physicsatmit_13_wilczek.pdf

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
.