Prof. Królikowski o dużych laboratoriach do badania małych cząstek

PAP: Dlaczego fizycy, którzy badają najmniejsze cząstki - cząstki elementarne - potrzebują największych na świecie laboratoriów, np. takich jak CERN?

Prof. Jan Królikowski: Do mierzenia bardzo małych odległości, rzędu biliardowych części milimetra (10 do potęgi -18 m), potrzebujemy cząstek o bardzo dużych energiach. To one pozwalają nam uzyskać bardzo duże rozdzielczości. Ale żeby móc korzystać z takich cząstek, potrzebujemy ogromnych urządzeń badawczych. Żeby zbudować takie "zwierzę", trzeba się naprawdę namęczyć.

PAP: Dlaczego fizycy potrzebują akurat cząstek o wysokich energiach?

J.K.: Jeśli chcemy zbadać komórkę organizmu, wystarczy, że weźmiemy mikroskop - możemy ją obejrzeć dzięki światłu widzialnemu - długość jego fali jest rzędu kilkuset nanometrów, a więc mniejsza niż komórka. Jeśli chcemy badać sieć krystaliczną, a więc obiekty znacznie mniejsze, musimy przejść do światła o długości fali rozmiarów sieci krystalicznej - np. kilku - kilkudziesięciu nm. Tu więc dobrze spisze się promieniowanie rentgenowskie. A co dalej? Atom ma ułamki nanometra, ale jest właściwie pusty w środku - jądro jest sto tysięcy razy mniejsze niż cały atom. Aby je zobaczyć, musimy użyć cząstek o innych właściwościach - niekoniecznie fotonów - które mają długość fali rozmiarów jądra atomowego. Dzięki temu możemy mierzyć własności układów na tak małych odległościach. To, co mierzymy w tej chwili, jest jeszcze 10 tys. razy mniejsze niż jądro atomowe. Potrzebujemy cząstek z falami o jeszcze mniejszej długości, a to muszą być cząstki o jeszcze większych energiach. Ogromnych urządzeń potrzebujemy nie tylko po to, żeby takie cząstki o dużej energii wytworzyć, ale i zmierzyć ich właściwości. Trzeba bowiem np. sprawdzić, jak zmieniły się własności cząstki w wyniku oddziaływania z inną cząstką, np w wyniku zderzenia dwóch protonów w LHC.

PAP: Czego się dowiedzieliśmy w ciągu ostatnich lat dzięki fizyce cząstek?

J.K.: Przede wszystkim tego, że istnieje cząstka Higgsa. Okazało się, że pewien podstawowy element tzw. Modelu Standardowego rzeczywiście działa. Cząstka Higgsa jest elementem, bez którego nie wiedzieliśmy, czy nasze rozumowanie jest poprawne. Model Standardowy próbuje połączyć w spójny opis dwa bardzo różne rodzaje oddziaływania między cząstkami. Jednym są oddziaływania elektromagnetyczne, które znamy również z fizyki klasycznej, ale na tych odległościach i przy tych energiach mają własności kwantowe, a drugim rodzajem oddziaływań są oddziaływania słabe, które mają zasięg rzędu femtometra (10 do potęgi -15 m). Zbudowanie teorii, która połączy te oddziaływania było bardzo trudne technicznie. Na początku lat 60. grupa fizyków pokazała, że możliwe jest usunięcie rozbieżności w teorii pod warunkiem, że... masa cząstek nie będzie dana odgórnie, tylko powstanie z oddziaływania z inną elementarną cząstką - dziś nazywamy ją bozonem Higgsa. Cały ten pomysł był szatański: budujemy coś, co może się wydawać niespójne, więc dodajemy do teorii coś dziwnego, o czym nikt nie słyszał. To coś ma sprawić, że struktura w obliczeniach zacznie się zachowywać poprawnie. Ale poza spójnością formalną nie istniał żaden dowód na to, że to ma sens. I dopiero w 2012 r. odkryliśmy dowód. To potwierdzenie, że cała struktura jest poprawna.

PAP: Ale to chyba jeszcze nie koniec badań nad cząstką Higgsa?

J.K.: Nie. Musimy zmierzyć dokładnie jej własności, zbadać, jak cząstka się rozpada i czy rozpady są takie, jak sobie wyobrażamy. Znamy niektóre z tych rozpadów z dokładnością zaledwie rzędu 25 proc. A powinniśmy wiedzieć to z dokładnością do kilku procent. Inną sprawą jest to, że nie osiągnęliśmy jeszcze w Zderzaczu maksymalnej liczby zderzeń na sekundę. Oczekujemy, że przez następne trzy lata zbierzemy mniej więcej 100 razy tyle przypadków rozpadu Higgsa, ile zarejestrowaliśmy do tej pory.

W ciągu następnych lat szukać też będziemy sygnałów tego, co się nazywa nową fizyką. Nie wiemy, czy Model Standardowy jest ostateczną teorią budowy cząstek elementarnych na bardzo małych odległościach. Podejrzewamy, że nie, ale na razie nie mamy żadnych dowodów na to, że istnieje coś więcej. Wydaje się, że wszystkie idee uogólniające Model Standardowy wymagają istnienia nowych ciężkich cząstek. Cały czas tych cząstek szukamy. Im więcej mamy oddziaływań pp w LHC, tym większe mamy szanse, że znajdziemy coś nowego.

PAP: Czy to znaczy, że fizycy szukają nie tylko tego, czego się spodziewają, ale również elementów im nieznanych?

J.K.: Przede wszystkim nieznanych. Cząstka Higgsa była znana tylko o tyle, że określono, jaką rolę powinna spełniać. Nie było sprecyzowane, jaką ona ma masę, a znaleźliśmy ją przy masie 125-126 gigaelektonowoltów (GeV) - to cząstka elementarna, która jest tak ciężka, jak jądro cezu.

PAP: A ile razy jest mniejsza niż takie jądro cezu?

J.K.: Wcale nie wiemy, czy jest mniejsza. Z rozmiarami w świecie kwantowym jest kłopot, bo są one związane z zasadą nieoznaczoności. Ale wiemy, że cząstka Higgsa jest cząstką elementarną, a więc nie jest złożona z czegoś innego. Nie ma składników. Bo jądro atomowe ma składniki, a bozon Higgsa nie ma.

PAP: Ale przecież dawniej myślano, że jądro atomowe też nie ma składników...

J.K.: Tak, ale w latach 30. i 40. zaczęliśmy je rozbijać i sprawdzać, że składa się z protonów i neutronów. Wiemy też, że proton się składa z kwarków, ale kwarków nam się rozbić nie udaje. Wygląda na to, że kwarki to cząstki elementarne nie posiadające "głębszej" struktury, czyli niepodzielne. Na tym samym poziomie cząstka Higgsa jest elementarna - na razie wydaje się, że jej składniki nie istnieją.

PAP: Odkrycie bozonu Higgsa było bardzo głośnym odkryciem. Ale czy bozon Higgsa można było... usłyszeć? Właściwie kiedy w akceleratorach cząstki są przyspieszane i zderzają się ze sobą, to słychać jakieś "bum"?

J.K.: Nie, kiedy jedna cząstka zderza się z drugą, to nic nie słychać. Za to widać - pojawia się błysk. Ale np. słychać już jak paczka cząstek uderza w metalowy blok. Kiedyś w CERN robiłem eksperyment, który polegał na tym, że całą moc akceleratora wrzucaliśmy w paczki protonów - prawie 1/10 miliarda protonów na raz. Uderzały one w blok miedzi. Chociaż eksperyment wykonywany był głęboko pod ziemią, to kiedy stałem przy kanale wentylacyjnym, dało słyszeć takie "bum" - bardzo niski dźwięk. To był właśnie dźwięk paczki 100 milionów protonów uderzających w blok miedzi.

Rozmawiała Ludwika Tomala

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ula/