Kiedy odezwę się do kogoś zainteresowanego fizyką, i użyję nazw: “kwarki” lub “gluony” ,to nieodmiennie usłyszę:
” przecież to SF, nikt ich nie widział, nie wiadomo czy istnieją takie cząstki elementarne, to tylko hipotezą tej samej wartości, co opowieść o potworze ze szkockiego jeziora Loch Ness”.
Trochę lepiej znający fizykę powie, że eksperymenty w fizyce mikroświata mają w sobie więcej interpretacji, aniżeli “surowego mięsa”, czyli gołych faktów empirycznych. Więcej w nich jest zapośredniczenia teorii ,aniżeli bezpośrednich pomiarów, szczególnie po totalnym skomputeryzowania aparatury pomiarowej , kiedy to już procesor[a nie człowiek] dokonuje nie tylko rejestracji danych , ale także wnioskowania logicznego.
Niedawno ,na poważnym seminarium warszawskim usłyszałem –wcale nie żartobliwą- wypowiedź “hadronowca” : " owszem “jety”[dżety] są ,ale czym one są, to Bóg raczy wiedzieć.
“ Wszystko - to modele, modele ,każdy następny coraz bardziej wyrafinowany matematycznie, i coraz bardziej oddalony od rzeczywistego procesu “-dodał nie bez goryczy.
Tymczasem ,aby coś sensownego powiedzieć na temat Big Bangu [ poprzedni mój wpis o singlach w galaktyce nieustannie w komentarzach była atakowany hipotezą Big Bangu, czyli hipotezą narodzin wszechświata],to trzeba wykroczyć poza elektrodynamikę kwantową[QED] i zobaczyć bliżej na czym stoi tzw. chromodynamika kwantowa [QCD],i z czym się ją “ je”.
Jasne, że w jednym odcinku ,nie uda mi się tego zrobić.
Idea złożonej struktury cząstek elementarnych, a tym samym idea kwarków jest bardzo stara, liczy sobie grubo ponad pół wieku [Gell-Mann oraz Zweig ,1964 r.],i dzisiaj jest dobrze potwierdzona doświadczalnie.
Pierwsze, namacalne dowody struktury wewnętrznej protonu, czyli po ludzku pisząc tego ,że w protonie są jakieś części, dowiodła liczna grupa fizyków, oraz inżynierów w Hamburgu [ amerykański SLAC pracujący w tym samym czasie uzyskał mizerne i wątpliwe wyniki].
Przez pewien czas, byłem tam w połowie lat dziewiędziesiątych studiując stosy tabel i wykresów, które obficie wypluwały detektory potężnego pierścieniowego akceleratora
HERA(Hadron Electron Ring Accelerator).
Fot.1 tunel Hery
Hera jest zmontowany w tunelu o obwodzie 6,3 km ,na głębokości 10-30 m, i doprowadza do kolizji
“elektron-proton” o sumarycznej energii kinetycznej 850 GeV, w ramach wieloletniego projektu badawczego o akronimie :
DESY ( D eutsches E lektronen Sy nchrotron).[1]
Przebieg zderzenia badały dwa olbrzymie detektory ZEUS i H1.
Fot.2 Hera - Nadprzewodzący magnes
Strumienie elektronów miały energie rzędu 30 GeV, a przeciwbieżnych do nich protonów - rzędu 820 GeV.
I doświadczalnie okazało się, że model punktowy protonu jest fałszywy.
Proton ma strukturę złożoną, ale kolizja elektronu z tymi składowymi protonu jest pośrednia, a mianowicie: przy pomocy wirtualnego fotonu emitowanego przez elektron podlegający kolizji.
Fot.3 dwa podstawowe schematy kolizji "elektron-proton"
Im większą energię ma elektron, tym krótszą długość fali ma wirtualny foton emitowany przez niego, a tym samym głębszą strukturę protonu można obserwować przy pomocy tego fotonu.
Tak jest przecież w mikroskopach: im krótsze fale ,tym większa rozdzielczość i powiększenie.
Jeżeli długość fali wirtualnego fotonu jest rzędu rozmiarów protonu, to występuje rozpraszanie głęboko nieelastyczne DIS(deep inelastic scattering), i ukazuje się fantastyczny obraz świata kwarków i gluonów, które tworzą strukturę wewnętrzna protonu.
Fot.4.struktura wewnętrzna protonu
Funkcja rozkładu energii i pędów dla “partonów” [historyczny termin dla części składowych protonu, wprowadzony w 1969 roku przez Richarda Feynmana] jest bardzo skomplikowana.
Występują dwa rodzaje kwarków : tzw. walencyjne, i "morze " kwarków wirtualnych , antykwarki i drugie “morze” - gluonów.
Gluony, to bozony pośredniczące. Przenoszą oddziaływanie silne między kwarkami [sprężynki na Fot.4], podobnie jak fotony przenoszę oddziaływanie elektromagnetyczne. Ale bardzo różnią się od fotonów, mają ładunek kolorowy [ jest osiem gluonów różniących się kolorami ], potrafią oddziaływać ze samym sobą, dzielą się i łączą w tzw. “glueball” [“kula gluonowa "],która o dziwo – ma masę ,chociaż składa się z bezmasowych gluonów.
Wnętrze protonu[ i każdego nukleonu- jak się później okazało]- to istny kosmos zjawisk i obiektów ,chyba najbardziej złożony obiekt w przyrodzie. Próba opisu przyczynowo-korelacyjnego [za którą nasz rodak Frank Wilczek dostał nobla] jest tak niezwykła i paradoksalna, że nadal chromodynamika [QCD] jest uznawana przez wielu poważnych fizyków za teorię kontrowersyjną [2].
Wracając do wnętrza protonu, okazało się w eksperymencie kolizyjnym w Herze, że energia i pęd protonów są mniej więcej równo podzielone: połowę energii i pędu protonu unoszą kwarki, a drugą połowę “morze” gluonowe.
Wobec tego fotony penetrujące wnętrze protonu wpadają w coś takiego podobnego do mazi, zderzenie jest nieelastyczne, a tym samym produkty powstające przy kolizji “elektron-proton”, mają masę sumaryczną znacznie większą od masy protonu.W stanie końcowym rejestrujemy strumień “jet” (pęk, dżet) hadronów ubranych w różne stany kwarkowe.
To tak jakby maleńki garbus[elektron], zderzył się z tirem [protonem], pośrednio-za pomocą wysłanego w momencie największego zbliżenia- skuterka włoskiego [ fotonu], a w wyniku tego zderzenia znikły : garbus, skuter i tir ,natomiast pojawiło się kilkadziesiąt nowiuśkich tojot , fordów, citroenów i skod.
Jasne , że to dziwny świat.
Jeszcze większy szok przeżyli Amerykanie w 2000 roku, kiedy na Long Island w BNL, czyli w
Brookhaven National Laboratory uruchomili
RHIC ( Relativistic Haevy Ion Collider}, najpotężniejszy na świecie zderzacz jonów cięzkich [ np. złota ,lub ołowiu, gdzie w jądrze atomu siedzi prawie 200 nukleonów].
Fot.5. RHIC-tunel
Fot.6 RHIC-PHENIX-detektor
Fot.7. mapa RHIC
Rozpędzone do prędkości przyświetlnych jony w wiązkach przeciwbieżnych zderzały się ze sobą , a to oznacza, że zderzały się ze sobą owe mazie/zupy kwarkowo-gluonowe tworzące wnętrze protonu, lub neutronu.[3]
Zderzenie to nie ma nic wspólnego z klasycznym wyobrażeniem zjawisk kolizji ciał.
Przecież zderzają się ze sobą dwa , niezwykle złożone kosmosy, dwa wszechświaty o rozmiarach 10E(-16) m, składające się z nieskończonej liczby wirtualnych fotonów, z gluonów podlegającym kaskadom [również niezliczonych] przemian i autoprzemian.
Najpierw pojawia się ognista kula gluonów, która świadczy, że nukleony uległy stopieniu ,a następnie ta ognista ,wysokotemperaturowa kula wybucha tworząc chmurę plazmową QGP[ quark – gluon plasma] o temperaturze rzędu 10^12 kelwinów ,a dokładnie 72 bilionów stopni kelwina, czyli o temperaturze wyższej miliony razy od temperatury, jaka istnieje w centrach gwiazd typu Słońce.
I na koniec, z tego plazmowego obłoku, rozsypuje się promieniście, mrowie cząstek elementarnych o nie przewidywalnie dowolnych masach, energiach, spinach i ładunkach elektrycznych .
Fot.8 laboratoryjny Big-Bang
Stosując analogię motoryzacyjną napiszę: mamy tu zderzenie czołowe dwóch tirów z prędkościami przyświetlnymi, w wyniku którego, powstaje kula ognia i żaru ,rozpadająca się następnie na tysiące i dziesiątki tysięcy nowiuśkich pojazdów rozmaitej marki.
Cały mechanizm trwa 10^ (-43 ) sekundy i dotyczy kilku zaledwie par zderzających się przeciwbieżnie :proton-proton, neutron-neutron, lub proton-neutron.
Gdyby takie wydarzenie objęło większy obszar czasoprzestrzeni i gęstość plazmy gluonowo-kwarkowej była znacznie większa [powtarzam- w tunelu RIHC-a rejstrujemy tylko kilka kolizji “jon-jon”], to mielibyśmy do czynienia z powtórzeniem powstania wszechświata w akcie eksplozii Big-Bang, i kto wie jak na to zareagowałaby Ziemia.[4]
Plazma gluonowo-kwarkowa jest więc pierwotną substancją, zaczynem, z którego powstaje wszechświat ,taki jaki opisują nam nauki przyrodnicze.
Do niej można zastosować kategorię znaną starożytnym ,a przez Czesława Białobrzeskiego pogłębioną o sensy podane przez fizykę współczesną – potencjalność, pole potencjalności.
Pole potencjalności, to obiekt o nieskończonych możliwościach aktualizacji, czyli przeobrażenia się w konkretne byty [elektrony, protony, neutrony, neutrina, itd...].
Cała złożoność poznanego wszechświata tkwi potencjalnie w plazmie gluonowo-kwarkowej i jeszcze więcej ponad to ,o czym nie mamy żadnego pojęcia.
Plazma gluonowo-kwarkowa jest idealnie symetryczna ,bo wszystko jest możliwe do realizacji z niej, każdy rodzaj złamanej symetrii może się zaktualizować, objawić, i w niej energia, temperatura, ciśnienie, gęstość, itd. są poza mierzalnością, są osobliwe, co czyni ją prawdziwie boską substancję, która jest czystą potencją.
Od niej zdaje się wychodzić “Divine action” na całą przyrodę ,dostępną ludzkiemu poznaniu.[5]
Dotarcie przez fizykę do takiej warstwy rzeczywistości ,z której wyłania się wszelka aktualizowana rzeczywistość, jest wydarzeniem trudnym do porównania z jakimkolwiek innym w dziejach tej nauki.
Jeśli Openheimer, podczas wybuchu pierwszej bomby atomowej był zszokowany jej potęgą niszczenia, i cytował wersy z Bhagawad-Gita, to chyba przesadził: Pieśń Pana starożytnych Indii [6] mówiąca w pewnym rozdziale o mocach zaświatów bardziej jest adekwatna do biliony razy wyższej temperatury ognistej plazmy gluonowo-kwarkowej, której to plazmy nawet w ładunku termojądrowym nie ma.
Znaczenie filozoficzne i światopoglądowe odtworzenia w miniaturze Big Bangu jeszcze nie jest uświadomione przez ludzkość.
Możliwe ,że Amerykanie stanęli na wysokości wyzwania, a dowodem tego może być fakt, że projekt budowy potężniejszego akceleratora od RIHC zgłoszony przez fizyków – ich rząd odrzucił.
Trywializujemy zagadnienie mówiąc ,że taka decyzja rządu USA była podyktowana wyłącznie względami finansowymi.[7]
Natomiast stary kontynent zbudował LHC o energiach kilka tysięcy razy większych od energii w RIHC , tylko jak na razie jeszcze nie sprawdziliśmy , czy działa, jak działa, i co z tej jego pracy dla nas wyniknie.
Literatura
[2]F.Wilczek,Asymptotyczna swoboda:od paradoksu do paradygmatu,Postępy Fizyki,tom 56,z.4,2005
[4] Przegląd możliwych katastroficznych scenariuszy z ich oceną przez fizyków zobacz tutaj :
arXiv: hep-ph/9910333
[5 ] Bóg - wszechświat - człowiek, tom I , praca zb. pod red.M.Hellera iSierotowicza,Biblos,Tarnów,2006,
s.274-307
[6] Bhagawadgita, czyli Pieśń Pana ,Ossolineum, Wrocław , 1988
[7 ] S.Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, Alkazar, Warszawa,1994,s.330-354
