Znajdź zawartość

Czy neutrinowe oczy ludzkości, obserwatoria takie jak IceCube na Antarktydzie, naprawdę widzą neutrina napływające z głębi kosmosu? Odpowiedź zaczynają przynosić między innymi eksperymenty przy akceleratorze LHC, gdzie bada się wewnętrzną strukturę protonów. Zgodnie z najnowszym modelem, opracowanym przez fizyków z IFJ PAN, struktura ta wydaje się być bogatsza o cząstki powabne w stopniu, który ziemskim obserwatorom neutrin może utrudnić interpretację tego, co widzą. Wbrew popularnym wyobrażeniom, proton może się składać nie z trzech, ale nawet z pięciu kwarków. Dodatkową parę tworzą wtedy kwark i antykwark powstałe w interakcjach gluonów we wnętrzu protonu. Od dawna przypuszczano, że te „nadmiarowe” pary mogą niekiedy być zbudowane nawet z tak masywnych kwarków i antykwarków jak powabne. Teraz się okazuje, że uwzględnienie wewnętrznego powabu protonów pozwala dokładniej opisać przebieg zjawisk zarejestrowanych niedawno w jednym z niskoenergetycznych eksperymentów w detektorze LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Stosowny model teoretyczny zaprezentowali fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie na łamach czasopisma „Physical Review D”. Szkolne podręczniki malują obraz protonu jako cząstki będącej prostym zlepkiem trzech kwarków: dwóch górnych oraz jednego dolnego, sklejonych oddziaływaniami silnymi przenoszonymi przez gluony. W fizyce tak uproszczony model nie zrobił długiej kariery. Już w końcu lat 80. ubiegłego wieku okazało się, że aby wytłumaczyć obserwowane zjawiska trzeba uwzględnić lekkie kwarki pochodzące z chmury mezonowej w nukleonie (są to tzw. wyższe stany Flocka). Co zaskakujące, efekt wcale nie jest marginalny: może stanowić nawet poprawkę na poziomie 30% w stosunku do prostego modelu trzykwarkowego. Niestety, dotychczas nie potrafiono określić, jak duży jest analogiczny wkład kwarków powabnych. Nasze wcześniejsze modele powstawania powabu wielokrotnie wykazywały się zgodnością z eksperymentami. Przy dużych energiach zderzeń protonów, gdy w LHC wzajemnym oddziaływaniom poddawano ich dwie przeciwbieżne wiązki, potrafiliśmy całkiem dobrze opisać produkcję par z udziałem kwarków i antykwarków powabnych. Rzecz jednak w tym, że choć tworzyły się one w trakcie zderzeń protonów, nie pochodziły z ich wnętrz. Powstawały wskutek fuzji gluonów nieco wcześniej wyemitowanych przez protony, mówi prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN). Nadzieję na postęp w tropieniu powabu wewnątrz samych protonów przyniosły niedawne pomiary zrealizowane w detektorze LHCb z użyciem pojedynczej wiązki protonów, wycelowanej w nieruchomą, gazową tarczę z helu bądź argonu. Gdy w LHC dochodzi do zderzeń przy największych energiach, spora część cząstek będących produktami kolizji protonów porusza się w kierunku 'do przodu', wzdłuż wiązek protonów. W rezultacie trafiają w obszar, gdzie z przyczyn technicznych nie ma detektorów. Tymczasem zderzenia protonów z jądrami helu, które właśnie poddaliśmy analizie, zachodziły przy energiach nawet kilkadziesiąt razy mniejszych od maksymalnych osiąganych przez LHC. Produkty zderzeń rozbiegały się pod większymi kątami, bardziej na boki, w konsekwencji były rejestrowane w detektorach i mogliśmy się im przyjrzeć, wyjaśnia dr Rafał Maciuła (IFJ PAN). Do opisu danych z eksperymentu w detektorze LHCb krakowscy fizycy użyli modelu rozbudowanego o możliwość wybicia z wnętrza protonu kwarku lub antykwarku powabnego. Wyliczenie prawdopodobieństwa takiego procesu z zasad pierwszych nie było możliwe. Badacze postanowili więc sprawdzić, przy jakich wartościach prawdopodobieństwa zgodność przewidywań modelu z zarejestrowanymi danymi będzie największa. Otrzymany wynik sugerował, że wkład par powabnych we wnętrzu protonu nie jest większy niż około 1%. Po wybiciu z wnętrza protonu powabna para kwark-antykwark szybko się zmienia w krótkożyjące mezony i antymezony D0, te zaś produkują kolejne cząstki, w tym neutrina. Fakt ten zainspirował fizyków z IFJ PAN do skonfrontowania nowego modelu z danymi zarejestrowanymi przez obserwatorium neutrinowe IceCube na Antarktydzie. Obecnie dzięki stosowanym technikom naukowcy z IceCube mają pewność, że jeśli rejestrują neutrino o ogromnej energii (rzędu setek teraelektronowoltów), to oznacza, że cząstka pochodziła z głębi kosmosu. Przyjmuje się ponadto, że neutrina o nieco niższych, ale wciąż rzadko spotykanych dużych energiach, również mają naturę kosmogeniczną. Jeśli jednak z wnętrza protonu można wybić powabną parę kwark-antykwark, rozpadającą się w kaskadzie zawierającej wysokoenergetyczne neutrina, ta interpretacja może zostać podważona. Neutrina w pewnym zakresie energetycznym, rejestrowane obecnie, mogą bowiem pochodzić nie z kosmosu, ale właśnie z kaskad inicjowanych zderzeniami cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego z jądrami gazów atmosferycznych. Artykuł analizujący taką możliwość trafił do druku w czasopiśmie „European Physical Journal C”. Przy analizie danych z obserwatorium IceCube przyjęliśmy następującą taktykę. Przyjmijmy, że praktycznie wszystkie obecnie rejestrowane neutrina w badanym przez nas zakresie energetycznym pochodzą z atmosfery. Jaki musiałby być wkład powabnych par kwark-antykwark we wnętrzu protonu, abyśmy za pomocą naszego modelu uzyskali zgodność z dotychczasowymi pomiarami? Proszę sobie wyobrazić, że otrzymaliśmy wartość rzędu jednego procenta, praktycznie identyczną z wartością z modelu opisującego zderzenia proton-hel w detektorze LHCb!, mówi dr Maciuła. Zbieżność oszacowań dla obu omówionych przypadków nakazuje zachować dużą ostrożność w określaniu źródeł neutrin rejestrowanych przez współczesne obserwatoria. Krakowscy badacze podkreślają jednak, że ich wyniki nakładają tylko górne ograniczenie na wkład kwarków i antykwarków powabnych w strukturę protonu. Jeśli okaże się on mniejszy, przynajmniej część obecnie wykrywanych neutrin o wielkich energiach zachowa swoją kosmiczną naturę. Jeśli jednak górna granica będzie oszacowaniem poprawnym, nasza interpretacja źródeł ich pochodzenia będzie musiała ulec istotnej zmianie, a IceCube okaże się nie tylko obserwatorium astronomicznym, ale również... atmosferycznym. « powrót do artykułu

W budowanych przez człowieka urządzeniach informacja przekazywana jest za pomocą elektronów. Tymczasem istoty żywe wykorzystują w tym celu jony i protony. Dlatego też na University of Washington powstał tranzystor korzystający z protonów, dzięki któremu mogą w przyszłości pojawić się urządzenia do komunikacji z organizmami żywymi. Naukowcy od dawna pracują nad urządzeniami, które miałyby komunikować się z organizmem człowieka. Jednak wszystkie czujniki czy protezy korzystają z elektronów. To zawsze stanowi problem. Jak sygnały elektroniczne przełożyć na jonowe i na odwrót. Zidentyfikowaliśmy materiał, który bardzo dobrze przewodzi protony i może być interfejsem pomiędzy żywymi organizmami a elektroniką - mówi główny autor badań profesor Marto Rolandi. W organizmach żywych protony aktywują różnego rodzaju „przełączniki" i odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu energii. Z kolei jony otwierają i zamykają kanały w ścianach komórkowych, umożliwiając pompowanie i wypompowywanie substancji. U ludzi i innych zwierząt jony są np. wykorzystywane do poruszania mięśniami czy przekazywania sygnałów z mózgu. Jeśli powstałaby maszyna pracująca dzięki jonom i protonom, mogłaby ona monitorować procesy przebiegające w organizmie, a w przyszłości nawet je kontrolować, sterując przepływem jonów i protonów. Pierwszym krokiem w kierunku powstania takiego urządzenia jest stworzenie protonowego tranzystora. Uczeni z University of Washington skonstruowali tego typu tranzystor polowy składający się z bramki, źródła i drenu. Ma on szerokość około 5 mikrometrów, jest zatem znacznie większy od współczesnych tranzystorów elektronicznych. Do zbudowania tranzystora wykorzystano zmodyfikowany chitozan. To łatwy w produkcji polisacharyd, który można wytwarzać ze skorup krabów, będących odpadem w przemyśle spożywczym. Chitozan absorbuje wodę i tworzy wiele wiązań wodorowych, dzięki którym przemieszczają się protony. Mamy protonowy odpowiednik obwodu elektronicznego i zaczynamy dobrze rozumieć zasady jego działania - mówi profesor Rolandi. Uczony mówi, że pierwsze urządzenia wykorzystujące protonowy tranzystor powinny pojawić się w przyszłej dekadzie. Najpierw będą wykorzystywane w roli laboratoryjnych czujników bezpośrednio badających pracę komórek. Jednak niewykluczone, że w przyszłości będą one wszczepiane do organizmów żywych by monitorować, a nawet kontrolować, niektóre ich funkcje. Obecny prototyp nie nadaje się do wszczepienia, gdyż podstawę dla protonowego obwodu wykonano z krzemu.

Wielki Zderzacz Hadronów kończy dzisiaj badania z użyciem protonów i przechodzi do drugiego etapu prac, podczas którego przyspieszane będą jony ołowiu. Uczonym udało się zrealizować wszystkie zadania, które miały zostać wykonane od końca marca, kiedy to uzyskano energię 7 TeV. Głównym z nich było osiągnięcie jasności, czyli częstotliwości zderzeń, rzędu 1032 na centymetr kwadratowy na sekundę. Taką jasność uzyskano 13 października, na dwa tygodnie przed początkiem drugiej fazy. Wśród uzyskanych w międzyczasie danych warto wymienić takie, które potwierdzają niektóre założenia Modelu Standardowego czy zaobserwowanie po raz pierwszy kwarka górnego powstałego w wyniku kolizji dwóch protonów. Wkrótce LHC zacznie przyspieszać jony ołowiu. Jednym z głównych zadań nowej fazy eksperymentu jest doprowadzenie do powstania plazmy kwarkowo-gluonowej i jej zbadanie. Ten rodzaj materii istniał kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu i z niej powstała ta materia, z którą mamy obecnie do czynienia. Badania takie pozwolą z kolei na zdobycie wielu informacji na temat oddziaływań silnych, które wiążą kwarki w protony i neutrony. Zderzenia ciężkich jonów będą wyjątkową okazją do zbadania bardzo gorącej, gęstej materii - mówi Jurgen Schukraft, rzecznik prasowy eksperymentu ALICE. LHC będzie pracował z jonami ołowiu do 6 grudnia. Następnie zostanie zatrzymany - Zderzacz ma nie pracować w zimie ze względu na swoje olbrzymie zapotrzebowanie na energię - i ponownie ruszy w lutym. Wówczas powróci do eksperymentów z protonami.

Mimo, że fizyka kwantowa to wciąż wiele niewiadomych, uważa się, że najważniejsze rzeczy już wiemy i że nie ulegną one już zmianom. Tymczasem nie jest tak dobrze. Najnowsze eksperymenty pokazują, że jedna z podstawowych cząstek elementarnych - proton, jest mniejsza, niż dotąd uważano. Wprawdzie zaledwie o 4%, czyli 0,00000000000003 milimetra, ale burzy to naszą dotychczasową wiedzę o budowie atomu. Ze szkoły każdy pamięta, że atom składa się z protonów (i ewentualnie neutronów), tworzących jądro oraz krążących wokół niego elektronów, protony mają dodatni ładunek elektryczny, elektrony ujemny, neutrony go nie posiadają. Protony i neutrony składają się z bardziej elementarnych cząstek zwanych kwarkami. Średnicę protonu mierzy się wykorzystując oddziaływanie między nim a orbitującym elektronem - orbita zależy od energii elektronu i rozmiaru protonu. Wszystkie eksperymenty dawały w wyniku zawsze rozmiar protonu 0,8768 femtometra. Do czasu. Randolf Pohl, naukowiec z Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) w niemieckim Garching po zastosowaniu innej metody uzyskał odmienne wyniki. Zamiast oddziaływania protonu z elektronem wykorzystał do pomiaru inną cząstkę, 207 razy cięższą od elektronu - mion. Większy rozmiar mionu sprawia, że jest on bardziej wrażliwy na oddziaływanie protonu. Aby zmierzyć oddziaływanie tych dwóch cząstek bombarduje się atomy wodoru strumieniem mionów. W pewnej części przypadków mion wybija elektron z jego powłoki i zastępuje go na tym miejscu. Przy pomocy laserów dokonano precyzyjnych pomiarów energii orbitującego mionu i obliczono rozmiar protonu. Wynik okazał się tak zaskakujący, że wstrząsnął fundamentami fizyki. Wynik mniejszy o 4% to może się wydawać niewiele, ale wskazuje, że coś jest z naszą teorią nie tak. Jest tak sprzeczny z dotychczasową wiedzą, że mimo iż już dwukrotnie - w roku 2003 i 2007 otrzymano taką wartość, zignorowano ją, sądząc że to błąd pomiaru spowodowany złą kalibracją laserów. Dziś już jednak nikt z badaczy nie sądzi, że wynik jest błędny. Z drugiej strony nie sposób też uznać za błędne poprzednich wyników, uzyskiwanych poprzez pomiar energii elektronu. Randolf Pohl uważa, że odnaleźliśmy poważną lukę w teorii i po prostu brakuje w niej jakiegoś fragmentu cząsteczkowej „układanki". Jednym z przypuszczeń jest jakaś cząsteczka związana z mionem, która zaburza oddziaływanie między mionem a protonem. Istnienie takich „partnerów" przewiduje teoria supersymetrii. Jedno jest pewne: naukowcy otrzymali kolejną łamigłówkę do rozwiązania, które to rozwiązanie bez wątpienia będzie fascynujące.

Fizycy z Francji, Niemiec i Węgier, pracujący pod przewodnictwem Laurenta Lelloucha we francuskim Centrum Fizyki Teoretycznej, potwierdzili słynne równanie Einsteina E=mc2. Specjaliści wykorzystali potężne superkomputery, dzięki którym wyliczyli masę protonów i neutronów w jądrze atomu. Najsłynniejsze równanie świata sprawdzało się już wielokrotnie. Przez lata służyło do zbadania, jak wiele energii uzyskamy, zmieniając w nią daną ilość masy. Najbardziej znanym przypadkiem jego wykorzystania było użycie go do stworzenia bomby atomowej. Dotychczas jednak nikomu nie udało się przeprowadzić dowodu na prawdziwość E=mc2 w skali subatomowej. Tylko hipotetycznie przypuszczano, że równanie Einsteina sprawdzi się też na polu chromodynamiki kwantowej. Zgodnie z obecnie obowiązującymi teoriami, protony i neutrony zbudowane są z kwarków "zlepionych" za pomocą gluonów. Masa gluonów wynosi 0, a kwarków to zaledwie 5% masy jądra. Tak więc brakuje 95% masy. Naukowcom udało się obecnie udowodnić to, co teoretycznie wiedzieliśmy z równania E=mc2 - reszta masy jest zamieniana w energię oddziaływań pomiędzy kwarkami a gluonami. Dotąd była to jedynie hipoteza. Teraz, po raz pierwszy, została udowodniona - oświadczyło francuskie Narodowe Centrum Badań Naukowych.

Zebrani w Pekinie fizycy poinformowali o zamiarach zbudowania urządzenia, które wyznaczy kolejny przełom w historii fizyki. Mowa tutaj o długim na 32 kilometry akceleratorze cząstek, w którym będzie dochodziło do zderzeń elektronów z pozytronami. W ich wyniku będzie można odtworzyć warunki, jakie panowały w momencie Wielkiego Wybuchu. Koszt budowy urządzenia oceniono na 6,7 miliarda dolarów. W prace projektowe zaangażowanych jest 60 naukowców z całego świata. Koncepcja akceleratora jest już opracowana, a uczeni zastanawiają się, w jaki sposób obniżyć koszty jego budowy. Warto zwrócić uwagę na miejsce ogłoszenia zamiarów wybudowania akceleratora – Instytut Fizyki Wysokich Energii w Pekinie. Oznacza to, że po dziesiątkach lat dominacji na tym polu USA i Europy, na scenę wkracza Azja. Badaniami takimi zainteresowane są przede wszystkim Chiny i Japonia. Początkowo Międzynarodowy Zderzacz Liniowy będzie miał długość 32 kilometrów, a przyspieszane elektrony nabywałyby energię rzędu 500 miliardów elektronowoltów. Później może zostać wydłużony do 50 kilometrów, a energia elektronów zwiększyłaby się do biliona elektronowoltów. Międzynarodowy Zderzacz Liniowy (ILC) stanowiłby uzupełnienie Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który powstanie pod Genewą. LHC, gdy pod koniec bieżącego roku rozpocznie pracę, będzie najpotężniejszym tego typu urządzeniem na świecie. Wykorzystywane w nim wiązki protonów będą miały energię rzędu 7 bilionów elektronowoltów, a fizycy mają nadzieję, że LHC pozwoli im udowodnić istnienie tzw. bozonów Higgsa. Wydawałoby się, że powstanie LHC uczyni zbędnym budowanie Międzynarodowego Zderzacza Liniowego. Nic bardziej błędnego. LHC wykorzystuje protony, które składają się z mniejszych elementów: kwarków i gluonów. Informacje uzyskane ze zderzeń protonów są mocno zakłócone przez te liczne i różniące się od siebie cząstki. ILC posłużyłby do dokładniejszego sprawdzania danych i teorii powstałych dzięki pracy LHC. Wykorzystywane w nim elektrony i pozytrony są bowiem "czystymi” cząstkami, więc informacje nie będą zakłócane. Głównym problemem pozostaje finansowanie budowy Międzynarodowego Zderzacza Liniowego. Z tego też powodu najprawdopodobniej do rozpoczęcia jego budowy dzielą nas całe lata. Uczeni określili już trzy miejsca, w których mógłby zostać zbudowany. Są to okolice instytutu CERN pod Genewą, laboratorium im. Fermiego w Batavii w stanie Illinois oraz góry Japonii.