PF Moduł 20

From Studia Informatyczne

Enlarge

Enlarge
W badaniach nad budowa Wszechświata zasadniczym pytaniem jest z czego składa się materia, co jest elementarnym składnikiem materii, co jest niepodzielne. Zgodnie z dziewiętnastowieczną koncepcją Mendelejewa taką cząstką miał być niepodzielny atom. Identyczne atomy miały składać się na najprostsze substancje – pierwiastki. Tak jest w rzeczywistości z wyjątkiem faktu, że atom nie jest niepodzielny. Z doświadczenia Rutherforda i modelu Bohra wynika, że atom zbudowany jest z prawie punktowego jądra i elektronów zlokalizowanych w obszarze o rozmiarach atomu. Wkrótce okazało się, że jądro jest obiektem złożonym, składa się z nukleonów uważanych początkowo za cząstki elementarne. W drugiej połowie dwudziestego wieku wykazano, że elementarne są kwarki i każdy nukleon składa się z trzech kwarków związanych tzw. siłami silnymi.

Enlarge
Pierwszą znaną cząstką elementarną jest elektron (wciąż uważamy ją za cząstkę punktową, pozbawioną struktury). Jest to lekka cząstka stabilna, obdarzona elementarnym ładunkiem ujemnym. Spełnia istotną rolę w budowie materii tworząc otoczenie jądra i neutralizując jego dodatni ładunek. Elektrony formując złożoną strukturę powłok atomowych są odpowiedzialne za zróżnicowaną formę materii makroskopowej. Znana jest teoria – elektrodynamika kwantowa precyzyjnie opisująca własności materii związane z istnieniem elektronu jako cząstki elementarnej. Między innymi jednoznacznie przewiduje wartość momentu magnetycznego elektronu.

Enlarge
Proton jest stabilną, masywną (około dwa tysiące razy cięższą niż elektron), obdarzoną dodatnim elementarnym ładunkiem. Oprócz własności elektromagnetycznych wykazuje specyficzną zdolność do silnych oddziaływań jądrowych. Dzięki temu może tworzyć układy złożone – jądra atomowe. Zwróćmy uwagę, że moment magnetyczny protonu jest anomalny w porównaniu z przewidywaniami teorii elektromagnetycznej. Sugeruje to, że nie jest cząstką pozbawioną struktury, nie jest elementarny. Jak wiemy jest on silnie związanym układem trzech kwarków.

Enlarge
Od dawna znana cząstka zwana fotonem ma odmienny charakter od elektronu i protonu. Jest to cząstka pozbawiona masy. W związku z tym nie stanowi budulca materii. Jest to cząstka przenosząca oddziaływania elektromagnetyczne. Oddziaływanie to ma charakter wymienny (tak jak i inne oddziaływania) i cząstką wymienianą w tych oddziaływaniach jest właśnie foton. W myśl teorii tych oddziaływań przyciąganie i odpychanie się ładunków polega na nieustannej wymianie tzw. wirtualnych fotonów. Strumień fotonów tworzy falę elektromagnetyczna

Enlarge
Neutron jest cząstką podobną do protonu ale pozbawioną ładunku. Konieczność istnienia takiej cząstki stała się oczywista z porównania mas jąder i mas zawartych w nim protonów. Neutron jest cząstką stabilną jedynie wtedy gdy jest wbudowany w trwałym jądrze. Swobodny neutron rozpada się na proton, elektron i neutrino. Oprócz istotnej roli w budowie jądra neutron odgrywa ważną rolę w reakcjach jądrowych gdyż jako cząstka obojętna łatwo może wniknąć do wewnątrz jądra

Enlarge
Z teorii elektromagnetyzmu Diraca wynikała możliwość istnienia dodatniego elektronu. Wkrótce po sformułowaniu hipotezy istnienia tej cząstki nazwanej pozytonem została ona odkryta doświadczalnie. Jej własności (zdolność do anihilacji i kreacji) spowodowały zakwalifikowanie jej jako antymaterii. Z czasem okazało się, że wszystkie cząstki materii mają swoje odpowiedniki antymaterialne. Obecnie potrafimy laboratoryjnie wytwarzać kompletne antyatomy. Podkreślmy jednak, że antymateria nie jest jednak stałym budulce Wszechświata i pojawia się jedynie na krótko w szczególnych sytuacjach

Enlarge
Neutrino jest bardzo nietypową cząstką. Jest trwała, pozbawiona ładunku a wartość jej masy do dzisiaj jest nierozwiązana zagadką. Pytanie czy neutrino jest bezmasowe czy też posiada znikomą, trudną do pomiaru masę jest w centrum zainteresowania fizyków. Odpowiedź na to pytanie może mieć istotne konsekwencje nie tylko w odniesieniu do budowy mikroskopowej budowy materii ale również w badaniach ewolucji Wszechświata. Neutrina są intensywnie produkowane w reakcjach zachodzących wewnątrz Słońca i wszystkich innych gwiazd.

Enlarge
Badając mikroskopową strukturę materii staramy się dotrzeć do najgłębszych „zakamarków” materii. Sondowanie takich rejonów wymaga bombardowania materii cząstkami o coraz większej energii. Urządzenia do rozpędzania cząstek w celu doprowadzenia do interesujących reakcji noszą nazwę akceleratorów. Jako pociski stosuje się rozmaite, naładowane cząstki. Ogólną zasadą funkcjonowania akceleratorów jest wykorzystanie silnego pola elektrostatycznego do rozpędzania naładowanych cząstek. Stosuje się też ogromne magnesy w celu zakrzywienia torów rozpędzanych cząstek tak aby mogły wielokrotnie przebyć przyspieszająca różnice potencjałów. Współczesne akceleratory są w stanie przyspieszyć cząstki do prędkości bardzo bliskich prędkości światła.

Enlarge
Przyspieszone w akceleratorach cząstki – pociski zderzają się z odpowiednio przygotowanymi próbkami materii, bądź też ze sobą poruszając się naprzeciwko. W zderzeniach powstają różne cząstki, które należy zarejestrować w celu dokonania analizy. Skonstruowano wiele skomplikowanych urządzeń – detektorów pozwalających na identyfikację cząstek wtórnych oraz pomiar ich parametrów kinematycznych. Często stosuje się wielosegmentowe zestawy rozmaitych detektorów aby informacja o zderzeniu była możliwie kompletna.

Enlarge
Wizualizacja torów wtórnych cząstek powstałych w wyniku zderzenia sprowadza się do wykorzystania (najczęściej) znanego zjawiska jonizacji ośrodka przez poruszająca się, naładowaną cząstkę. Stosuje się wyrafinowane metody rejestracji jonów powstałych wzdłuż torów cząstek rozbiegających się z punktu oddziaływania. Metodyka analizy takich torów często jest bardzo złożona szczególnie w przypadkach zderzeń o dużych energiach kiedy to liczba wtórnych cząstek osiąga liczbę kilku tysięcy.



Enlarge
Obraz struktury materii, który wyłania się z wieloletnich, skomplikowanych badań jest zadziwiający prosty. Zgodnie z aktualnymi poglądami cały, niezmiernie złożony Wszechświat zbudowany jest z zaledwie kilku typów cząstek. Podstawowy budulec materii to kwarki dwóch typów: kwark górny (u) i kwark dolny (d). Kwarki charakteryzują się niezwykłymi własnościami. Występują jedynie w układach po trzy tworząc dwa rodzaje składników jąder: proton (uud) i neutron (udd). Kwarki te łączą się dzięki silnym oddziaływaniom. Strukturę materii uzupełniają dwie cząstki nie biorące udziału w oddziaływaniach silnych tzw. leptony. Są dwa rodzaje leptonów: dobrze znane nam elektron i neutrino. Elektrony dopełniają budowę atomów tworząc powłoki wokół jąder. Grupa cząstek zwanych bozonami stanowi coś co można nazwać spoiwem materii. Są one odpowiedzialne za oddziaływania między cząstkami. Fotony () są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, bozony Z i W odpowiadają za tzw oddziaływania słabe, a silne oddziaływania między kwarkami są przenoszone przez cząstki pośredniczące zwane gluonami.

Enlarge
Oprócz „codziennych” składników materii znane są nam i inne cząstki. Choć mają one ogromne znaczenie w zrozumieniu praw przyrody to są jedynie egzotycznym uzupełnieniem obraz. Powstają w szczególnych sytuacjach, najczęściej w zderzeniach przy wielkich energiach i żyją zaledwie ułamki sekund rozpadając się potem na „zwykłe” cząstki. W charakterze przykładu podano największe polskie odkrycie w tej dziedzinie. Jest to zarejestrowane i rozszyfrowanie oddziaływanie, w którym postało nietrwałe, egzotyczne jądro (tzw. hiperjądro) zawierające cząstkę  charakteryzująca się pewną cechą fizyczną, zwaną dzinością.