21.08.2019
PL EN
01.07.2019 aktualizacja 01.07.2019

Jak naukowcy chcą zajrzeć do wnętrza jąder

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Nie znam się na fizyce, szczególnie na fizyce cząstek elementarnych, ale gdy próbuję się z nią zaprzyjaźnić, to mam wrażenie, że rozumiem jeszcze mniej. Oswoiłem się już z tym, choć nie do końca, że we wszechświecie jest ciemna materia. W ogóle jest tam ciemno i tajemniczo, ale to rozumiem. Gorzej idzie mi z tym, że na ciemną materię może przypadać więcej materii niż tej, którą widzimy i potrafimy badać.

Różne są obliczenia, jedne mówią, że nie jest tak źle, bo na ciemną materię przypada jakaś jedna czwarta całkowitej materii. Nie zmienia to jednak mojego zamieszania poznawczego. Tym bardziej, że jest jeszcze coś takiego jak ciemna energia, która działa odpychająco i tym tłumaczy się tzw. ekspansję wszechświata oraz ucieczkę galaktyk. Albo jest zupełnie inaczej, jak twierdzą niektórzy fizycy, a ciemna materia, jak też ciemna energia, świadczą jedynie o tym, jak wiele jeszcze nie wiemy. I jak ciemno jest w gabinetach fizyków.

No właśnie. Z czego zbudowane są atomy tworzące materię widzialnego wszechświata? Z protonów i neutronów oraz elektronów. OK. Protony i neutrony zbudowane są z kwarków, jeszcze mniejszych cząstek (10 tys. razy mniejszych od protonów). A spajają je gluony, kolejne cząstki. OK. Ale dalej to już nie jest OK, bo jak się zsumuje masę kwarków, to one razem stanowią zaledwie 1 proc. masy nukleonów, czyli protonów i neutronów. 1 proc., a może nawet mniej! Reszta to glunony? Też nie, na gluony nie ma co liczyć, bo one są jak klej, ale nie mają masy. To gdzie podziała się reszta?

Weźmy spin, kolejna zagadka. To moment pędu cząstki wynikający, jak twierdzą fizycy nieklasyczni, z jej natury kwantowej. Wiem, ja też tego nie rozumiem. Ale jest to taki moment pędu, który nie jest związany z ruchem obrotowym. Jest wewnętrzną właściwością cząstki, taką jak na przykład ładunek. Koniec, kropka, a w zasadzie to dopiero początek. Bo spinu protonów i neutronów nie da się wytłumaczyć spinem kwarków, z których się składają. Fajnie, prawda?

Fajnie to też opisują prof. Abhay Deshpande oraz jego kamrat Rikutaro Yoshida na łamach „Świata Nauki” (polskie wydanie „Scientific American”). Cytuję dosłownie: „Obecnie naukowcy uważają, że spin, masa i inne właściwości nukleonów to wynik skomplikowanych oddziaływań kwarków i gluonów, których dokładny mechanizm nie jest znany. Oddziaływania te są opisywane przez teorię zwaną chromodynamiką kwantową, która prowadzi do tak skomplikowanych obliczeń, że na razie nie potrafimy z niej wyciągnąć idących dalej wniosków”.

Chromodynamika kwantowa, aż zęby bolą. Podręczniki opisują ją jako teorię oddziaływań silnych, czyli kwantową teorię pola opisującą oddziaływanie silne, najsilniejsze z oddziaływań podstawowych. Założę się, że nawet nie wszyscy fizycy to rozumieją, ale głowy nie dam. Ja to zrozumiałem w ten sposób, że w chromodynamice jest odwrotnie niż w elektromagnetyzmie, który wydaje mi się bliższy i bardziej „ludzki”.

W elektromagnetyzmie oddziaływanie między cząstkami maleje, kiedy odległość między nimi rośnie. I jest to intuicyjne. Natomiast w świecie kwarków wraz z większą odległością oddziaływanie wzrasta, a kiedy cząstki są blisko siebie – jest ono wręcz słabe. Jakby się nie znały i nie chciały zaprzyjaźnić. Wewnątrz nukleonu zachowują się niemal jak cząstki swobodne, ale to tylko pozory. Jak tylko zwiększy się między nimi odległość, dają o sobie znać oddziaływania silne, które trzymają kwarki w nukleonie.

Ale po co ja to wszystko opisuję, nic z tego nie rozumiejąc? Jak zwykle chodzi o pieniądze, duże pieniądze. Deshpande i Yoshida piszą tak: „Aby osiągnąć postęp w dziedzinie kwarków gluonów, musimy zajrzeć do wnętrza jąder”. Trzeba „zobaczyć” atomy i wydrzeć im tajemnicę tych 99 proc. tego, co przed nami skrywają. A żeby zobaczyć atomy w trójwymiarowej przestrzeni, niezbędne jest użycie wiązki elektronów o dużej energii. Nie ma zmiłuj: do tego potrzebny jest nowy zderzacz cząstek elementarnych. Nowa zabawka fizyków za miliardy dolarów?

Chodzi o Zderzacz Elektronowo-Jonowy (EIC – Electron-Ion Colliader), w którym elektrony będą zderzane z protonami i neutronami. „Liczymy, że dzięki temu układ spełni funkcję mikroskopu, który po raz pierwszy pozwoli zaobserwować strukturę wewnętrzną nukleonów” – przekonują wspomniani fizycy. EIC ma powstać w USA, na wyspie Long Island lub w Newport News, zacznie pracować prawdopodobnie około 2030 r. za jego powstanie odpowiedzialni są Deshpande i Yoshida.

Stawka tego przedsięwzięcia jest znacznie większa niż tylko rozwikłanie tajemnicy materii i wszechświata. To może być przyszłość naszej cywilizacji. Dzięki trójwymiarowej mapie protonów i neutronów, naukowcy będą mogli wkroczyć do świata kwarków i sięgnąć po oddziaływani silne. To poziom jeszcze niższy niż nanotechnologia, która nie przekracza sfery atomu. To przyszłość naszych wnuków. Kolejna rewolucja technologiczna.

Zbigniew Wojtasiński

Copyright © Fundacja PAP 2019