Warto przeczytać

Kiedy zostałem studentem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, miałem w pracowni fizycznej do zrobienia pomiar, który był dla mnie namiastką prawdziwego eksperymentuEksperymenteksperymentu. Dostałem do analizy zdjęcia z tzw. komory pęcherzykowej, w której cząstki naładowane, takie jak proton czy elektron, pozostawiają ślady swego przebiegu. Przykład takiego zdjęcia pokazany jest na Fot. 1.

Rrw6GO42pofaR

Fot. 1. Na ilustracji widoczne jest zdjęcie z komory pęcherzykowej. Na czarnym tle widać wiele białych prostych linii, które są śladami poruszających się naładowanych cząstek. W kilku miejscach widoczne są też białe kropki, które są pozostałością po zderzeniach naładowanych cząstek w komorze.

Moim zadaniem była identyfikacja neutralnej elektrycznie cząstki, którą fizycy nazywają „dziwną”, a która rozpada się na dwie inne cząstki – naładowane i niedziwne. Miałem na fotografiach wykonać pomiary, na ich podstawie przeprowadzić obliczenia, które pozwalają zidentyfikować rozpadającą się cząstkę. Wykonałem to wszystko, a badaną cząstką okazał się hiperon o nazwie „lambda‑zero”. Nauczyłem się bardzo wiele, ale miałem świadomość, że wciąż powielam to, co inni już robili.

Poczułem jednak, że wkraczam w nieznany mi dotąd świat wielkiej fizyki. Projekt komory pęcherzykowej uhonorowany został nagrodą Nobla (D. Glaser, 1960), a cząstki dziwne nie bez powodu zostały tak nazwane. Ich własności dostarczały bowiem fizykom wielu zagadek. Wiedziałem też, że tysiące podobnych fotografii analizują zespoły fizyków w wielu krajach w celu badania nieznanych własności cząstek elementarnych.

Jeszcze jedno zdjęcie zamieszczam dla ilustracji.

RFaRcF4BTKOVY

Fot. 2. Na ilustracji widoczne jest zdjęcie z komory pęcherzykowej wypełnionej propanem. Na czarnym tle widać wiele białych prostych linii, które są śladami poruszających się naładowanych cząstek. W kilku miejscach widoczne są też białe kropki, które są pozostałością po zderzeniach naładowanych cząstek w komorze. Z kilku większych białych punktów obrazujących zderzenia naładowanych cząstek propanu widać wiele nowych białych linii. W wyniku zderzenia cząstki propanu rozbite zostały na pojedyncze protony i elektrony, które poruszając się również pozostawiły ślady w postaci białych linii.

Powiesz, że na tych zdjęciach jest jedynie „kasza” różnych kresek i innych „śmieci”. Ja też tak myślałem na początku. Bardziej uważne spojrzenie ukazuje jednak niezwykle ciekawe zjawiska tam zarejestrowane, pokazuje związki pomiędzy światem atomów i jąder atomowych, pomiędzy materią i antymaterią, odkrywa tajemnice cząstek elementarnych oraz ich wzajemnych oddziaływań. Powrócimy do tego jeszcze nieco później.

A teraz powiem najważniejsze (dla mnie). Te zdjęcia określiły moją dalszą profesjonalną drogę życiową. Zostałem fizykiem eksperymentatorem, a moją specjalnością stała się fizyka jądra atomowego i cząstek elementarnych. Teraz – po latach – mogę wyznać, że nie żałuję swego wyboru. Udział mój i kierowanego przeze mnie zespołu z Politechniki Warszawskiej w eksperymentach prowadzonych w największym na świecie laboratorium fizyki jądrowej i fizyki cząstek – CERN, stał się realizacją moich marzeń z młodości, o których wspominałem na początku. (więcej o CERN‑ie: www.cern.ch).

Dla przykładu napiszę więcej o jednym z eksperymentów, w których uczestniczymy. Jest to eksperyment ALICE, co jest akronimem od pełnej nazwy „A Large Ion Collider Experiment” (zobacz: https://home.cern/science/experiments/alice ).

W nazwie tej dwa słowa wymagają wyjaśnienia: „Ion” – po polsku jon, czyli atom pozbawiony elektronów. W tym przypadku wszystkich, a więc jądro atomowe, „Collider”, po polsku zderzacz, to urządzenie, w którym np. jony przyspieszane są do prędkości bardzo bliskich prędkości światła i zderzają się, bo poruszają się w przeciwnych sobie kierunkach. Zderzacz w CERN nosi nazwę LHC (Large Hadron Collider) i jest największym urządzeniem badawczym skonstruowanym przez człowieka.

Co kryje się pod słowem „large” w nazwie ALICE, pokazuje schemat na Rys.3.

R15FLilkWXGBH

Rys. 3. Na ilustracji widoczny jest schemat budowy detektora wykorzystywanego w doświadczeniu ALICE. Z lewej strony widoczny jest tunel doprowadzający naładowane cząstki wpadające do detektora. Po prawej stronie widoczne są schematycznie narysowane prostokątne kolejne części detektora, służące do wykrywania poruszających się cząstek powstałych w wyniku zderzeń.

Sylwetki ludzi w dole tego schematu ilustrują rozmiary detektora ALICE.

Jak to wygląda w rzeczywistości, można zobaczyć na Fot. 4., gdzie widać wnętrze detektora ALICE w trakcie prac montażowych.

RqZNCwmWO1Py5

Fot. 4. Na ilustracji widoczne jest zdjęcie detektora wykorzystywanego w doświadczeniu ALICE. Zdjęcie przedstawia wlot detektora, w postaci ogromnego tunelu z czerwoną obudową. Tunelem tym rozpędzone i naładowane cząstki wprowadzane są do układu pomiarowego mierzącego ich masę i energię.

A na czym polegają te doświadczenia i pomiary, „których nikt jeszcze nie robił”? To wymaga kilku zdań wprowadzenia na temat struktury najmniejszych „cegiełek” materii, z których zbudowane jest wszystko na świecie. Te najmniejsze cząstki - zwane fundamentalnymi - to kwarki i leptony. Natura kwarków jest taka, że nie występują w stanie swobodnym, a jedynie związane w innych cząstkach, takich jak np. protony i neutrony.

Powstaje więc pytanie: jak uwolnić kwarki z protonów i neutronów, by badać ich własności? Jest ono niezwykle ważne także dlatego, że materia miała postać kwarków tuż po Wielkim Wybuchu („Big Bang”) przed blisko 14. miliardami lat, kiedy formował się nasz Wszechświat. Poznanie własności kwarków i hipotetycznej kwarkowej materii zwanej „plazmą kwarkowo‑gluonową” to zasadniczy cel eksperymentu ALICE. Równie ważne jest zbadanie mechanizmów, które „uwięziły” kwarki w protonach i neutronach.

A jak wyglądają wyniki uzyskiwane w eksperymencie ALICE? Przykład wizualizacji śladów cząstek emitowanych w zderzeniach jonów pokazany jest na Fot. 5. Zadaniem zespołów uczestniczących w eksperymencie jest nie tylko rozszyfrowanie tej gęstwiny tysięcy śladów i identyfikacja poszczególnych cząstek, ale także pomiar ich własności: energii i kierunku emisji. Dopiero wtedy można badać procesy fizyczne, które doprowadziły do takiej a nie innej ich konfiguracji. Analizę prowadzą rozsiane po całym świecie zespoły uczestników eksperymentu w liczbie ponad 1000 osób.

RzCqQoz3ECAGn

Fot. 5. Na ilustracji widoczny jest wynik z symulacji zderzeń naładowanych cząstek w wielkim akceleratorze CERN. W walcowej przestrzeni ograniczonej białymi konturami widocznych jest wiele promieniście rozchodzących się niebieskich linii wychodzących z jednego punktu. Niebieskie linie obrazują ślady naładowanych cząstek elementarnych będących wynikiem rozbicia większych cząstek w procesie zderzenia.

Zapytasz może – co trzeba zrobić, by zrealizować taki eksperyment? A co zrobić, by zostać jego uczestnikiem?

Odpowiem najkrócej. Trzeba mieć świadomość tego, co wiemy o strukturze materii, a czego jeszcze nie wiemy, a chcielibyśmy wiedzieć. Ważną rolę odgrywają tu fizycy‑teoretycy, formułując różne hipotezyHipotezahipotezy, które podlegają weryfikacji w eksperymentach. Przygotowanie eksperymentów na miarę tych w CERN‑ie zajmuje wiele lat. Warunkiem ich realizacji jest budowa urządzenia (akceleratora), który przyspiesza cząstki do olbrzymich prędkości, bliskich prędkości światła. Budowa detektorów na miarę ALICE to z kolei potrzeba znalezienia rozwiązań bardzo wielu problemów technicznych, niespotykanych wcześniej (to właśnie ta droga, którą nigdy nikt nie szedł). Zbieranie i analiza danych doświadczalnych to kolejna lawina problemów do rozwiązania, bo ich rozmiar liczy się w petabajtach. W tym celu gromadzą się zespoły fizyków z całego świata, a ich wzajemna komunikacja to następny problem do rozwiązania, itd.

A jak znaleźć się w zespole, który uczestniczy w eksperymentach, takich, jak ALICE? Odpowiem jeszcze krócej: „chcieć, to móc”, a pod tym kryje się zainteresowanie już w szkole fizyką mikroświata, wybór kierunku studiów i specjalizacji na studiach. Życzę Ci w tym wielu sukcesów.

Ale może powiesz inaczej - „mnie ta wiedza wcale nie jest potrzebna. Wystarczy mi smartfon i przeglądarka internetowa, by ciekawie spędzać czas.” Zobacz więc Fot. 6., którą wykonałem kiedyś na lotnisku w Genewie. Zobacz, co napisane jest na pokazanej tam tablicy.

Rcory69r3E97W

Fot. 6. Tablica przedstawia w lewym górnym rogu logo CERN, pod logo w języku angielskim napisane jest "Największe na świecie laboratorium fizyczne, w którym narodziła się sieć www" a pod tym zdaniem jest drugie zdanie "... pięć minut stąd". Tło tablicy jest na górze niebieskie a na dole zielone.

„CERN - największe w świecie laboratorium fizyki, gdzie narodził się World Wide Web – 5 minut stąd” – głosi napis na tablicy. Ogromna ilość danych do opracowania w eksperymentach realizowanych w CERN wymagała adekwatnego narzędzia komunikacji. Tym właśnie narzędziem stał się hipertekst opracowany w CERN na potrzeby fizyków, później stał się podstawą WWW - życie pokazało, że nie tylko dla fizyków, ale dla wszystkich ludzi na świecie.

To już koniec mojej opowieści. Przedstawiłem Ci przykład konkretnego eksperymentu (ALICE) i drogi prowadzącej do jego realizacji w konkretnym (moim) przypadku. Tobie pozostawiam wyciągnięcie wniosków.

Ułatwi Ci to audiobook, w którym zawarte jest podsumowanie oraz uogólnienie informacji stanowiących odpowiedź na pytanie „Jak definiuje się eksperyment?”

Słowniczek