17.11.2019
PL EN
07.08.2019 aktualizacja 08.08.2019
Ludwika Tomala
Ludwika Tomala

Zaobserwowano, jak w ekstremalnych warunkach cząstki zmieniają masę

Detektor HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer). Źródło: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH / T. Ernsting/HA Hessen Agentur   Detektor HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer). Źródło: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH / T. Ernsting/HA Hessen Agentur

Masa cząstek wcale nie jest dana raz na zawsze! Zależy od otoczenia i może się zmieniać – i to nawet w takich warunkach, jakie panują przy zderzeniach gwiazd neutronowych - potwierdziły badania w eksperymencie HADES. Badania te rzucają nowe światło na to, skąd cząstki biorą masę.

Alchemicy próbowali za pomocą kamienia filozoficznego wyprodukować złoto. A międzynarodowy zespół naukowców - w tym Polaków - w eksperymencie HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) robi coś wręcz przeciwnego: złoto zmienia w inną materię... Jądra atomów złota naukowcy rozpędzają do niewyobrażalnych prędkości - ok. 89 proc. prędkości światła i zderzają je z innymi atomami złota. Energia takiego zderzenia jest tak duża, że jądra rozpadają się na cały zestaw innych cząstek. Złoto wprawdzie na zawsze już tracimy (na szczęście to tylko śladowe ilości), ale dzięki temu naukowcy są w stanie zbadać, co się dzieje z cząstkami wewnątrz egzotycznej, wytworzonej na bardzo krótki moment, formy materii jądrowej o ekstremalnych gęstościach i temperaturach.

Teraz fizycy pokazują coś niewiarygodnego: masa cząstek w ekstremalnych warunkach się zmienia! Wartość jej nie jest więc tak bardzo stała, jak to wynika z tabel i podręczników, ale zależna jest od własności otoczenia określonego przez gęstość i temperaturę! Udało się to sprawdzić dzięki badaniu widm rozkładów tzw. wirtualnych fotonów, czyli fotonów, które mają ... masę. Fotony te pochodzą z rozpadu cząstki zwanej mezonem rho.

Wcześniej takie pomiary wykonano już w CERN i na akceleratorze RHIC w USA. Teraz jednak naukowcy w ośrodku badań ciężkojonowych GSI/FAIR w niemieckim Darmstadt (k. Frankfurtu) pokazali, że do podobnego efektu dochodzi nie tylko w warunkach tak ekstremalnych, jakie pojawiły się tuż po Wielkim Wybuchu, ale również i obecnie - np. w zderzeniach gwiazd neutronowych. Publikacja ukazała się w "Nature Physics" .

WŁAŚCIWOŚCI ZŁOTEJ OGNISTEJ KULI

Uczestnik eksperymentu HADES prof. Piotr Salabura z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego mówi PAP, co się dzieje, kiedy materia jednego jądra przenika się z materią jądra drugiego. Opowiada, że w czasie 1022 razy krótszym niż sekunda powstaje tam "ognista kula", w której gęstość materii rośnie nawet 4-krotnie (gęstość normalnej materii jądrowej jest i tak ogromna: to około 1018 kg/m3).

Naukowiec mówi, że w ramach eksperymentu udało się zmierzyć temperaturę tej "ognistej kuli”. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu, żeby sprawdzić, czy człowiek ma gorączkę, trzeba było trzymać termometr pod pachą przez 10 minut... A teraz naukowcom udało się dokładnie zmierzyć bardzo wysoką temperaturę w czasie 1022 razy krótszym niż sekunda. I to w miejscu nie większym niż jądro atomu! Dla naukowców nie było oczywiste, że w tak krótkim czasie jakaś konkretna temperatura zdąży się ustalić.

Detektor HADES . Źródło: www.hosan.eu

Detektor HADES . Źródło: www.hosan.eu

 

Z badań wynikło, że uśredniona temperatura takiego "złotego" zderzenia wynosi ok. 70 MeV (megaelektronowoltów) to znaczy około 10 tryliardów (1022) kelwinów! "Materia jądrowa o podobnych własnościach powstaje w czasie zderzania się gwiazd neutronowych, a więc gigantycznych wydarzeń, które co jakiś czas obserwujemy we wszechświecie" - porównuje.

FOTONY NABIERAJĄ MASY

Informacji o temperaturze materii dostarczają wirtualne fotony, na podobnej zasadzie jak rozkład energii promieniowania rzeczywistych fotonów pochodzących ze Słońca mówi nam o temperaturze naszej gwiazdy. Z ta różnicą, że mierzone w eksperymencie fotony są wirtualne i pochodzą z rozpadu mezonu rho, cząstki produkowanej wewnątrz „ognistej kuli”.

"Wirtualne fotony różnią się od zwykłych fotonów tylko tym, że mają masę - przez ekstremalnie krótki odcinek czasu. A wtedy - zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga i teorią Einsteina - zmiana energii na masę jest możliwa i fotony obserwujemy w detektorze HADES w postaci par pozyton-elektron, które powstają z ich rozpadu" - mówi naukowiec.

JAKĄ MASZ MASĘ? TO ZALEŻY OD OTOCZENIA...

Druga sprawa, którą odkrył zespół eksperymentu HADES to to, że własności mezonu rho w tej "ognistej kuli" mają trochę inne właściwości niż w próżni. "W eksperymencie zdołaliśmy wykazać, że masa mezonu rho - cząstki wytwarzanej w zderzeniach - ulega modyfikacji - jest inna niż w innych w pomiarach rozpadu mezonu w próżni" - mówi naukowiec.

Wyjaśnia, że średnia masa mezonu rho w próżni jest dobrze znana i znajduje się w podręcznikach - to ok. 770 MeV. Jego masa ma pewien rozkład (o szerokości około 120 MeV) odpowiadający jego czasowi życia około 10-23 s. "Tę samą cząstkę wytworzyliśmy w gorącej materii jądrowej. Okazuje się, że ona ma tu już zupełnie inny rozkład masy" - mówi. Zaznacza, że jej rozkład masy "rozmywa się" i ten stan przestaje być dobrze określony.

DLACZEGO CZĄSTKI MAJĄ MASĘ

Prof. Salabura pytany, dlaczego cząstki mają masę, odpowiada: "mechanizm wytwarzania masy nie jest dotąd znany". Wiadomo jednak, jakie siły są w to zaangażowane. Fizyk z UJ przypomina, że tworzące jądro atomu protony i neutrony zbudowane są z kwarków lekkich. A masa tych kwarków powstaje z oddziaływania z cząstką Higgsa odkrytą w eksperymentach na Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN.

Sama jednak masa kwarków dawana przez oddziaływanie Higgsa odpowiada masie swobodnego kwarku i wcale nie sumuje się do masy protonu czy neutronu! Stanowi ona zaledwie 2 proc. jego masy! Cała reszta masy ukryta jest więc gdzieś "pomiędzy kwarkami", a dokładniej w siłach, które je ze sobą "sklejają", a które są przekazywane przez gluony – cząstki pośredniczące w oddziaływaniach silnych. "To właśnie oddziaływania silne, a w szczególności oddziaływania wzajemne gluonów, mają spektakularną własność tworzenia efektywnej masy protonu" - mówi prof. Salabura.

A jaki to ma związek z eksperymentem HADES? W "ognistej kuli" materia jądrowa jest tak supergęsta, że zmienia się charakter oddziaływania silnego wiążącego kwarki. A to z kolei sprawia, że dochodzi do zmiany masy powstających tam cząstek. Dało się to zaobserwować dla krótkożyciowego mezonu rho.

Detektor HADES . Źródło: www.hosan.eu

Detektor HADES . Źródło: www.hosan.eu

 

W prace w ramach eksperymentu HADES zaangażowane są zespoły z Polski: nie tylko z UJ, ale i z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Do zespołu dołączają obecnie naukowcy z Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu Warszawskiego. "W eksperymencie wykonaliśmy i wykonujemy elementy, z których składa się urządzenie badawcze HADES, nadzorujemy ich pracę, a potem analizujemy dane, w tym te, których wyniki zostały zamieszczone w artykule w Nature Physics" - streszcza fizyk udział Polaków w tym projekcie.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2019