Delta mi!

Ile materii da się upchnąć w bardzo małej przestrzeni, porównywalnej rozmiarami z atomem (rzędu ) czy jądrem atomowym (rzędu )? Wiadomo, że gdy się z tym upychaniem przesadzi, otrzymuje się czarną dziurę. Taka o rozmiarach atomowych ważyłaby kilkaset bilionów kilogramów, o rozmiarach jądrowych - coś koło miliarda kilogramów.

Czterdzieści osiem anten radiowych spogląda na powierzchnię Antarktydy z gondoli balonu stratosferycznego lecącego na wysokości 37 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Mogą one wychwycić fale radiowe wytworzone podczas oddziaływań wysokoenergetycznych neutrin z antarktycznym lodem. Uważa się, że takie neutrina o energiach eksaelektronowoltów mogą być rezultatem oddziaływania cząstek promieniowania kosmicznego o bardzo wysokich energiach z fotonami mikrofalowego promieniowania tła...

Nie wiemy, z czego składa się Wszechświat. W powszechnie przyjmowanym modelu kosmologicznym prawie 70% gęstości energii Wszechświata przypisywane jest ciemnej energii, o której można powiedzieć w zasadzie tylko tyle, że ma ujemne ciśnienie powodujące przyspieszone rozszerzanie się Wszechświata. Praktycznie cała reszta energii Wszechświata związana jest z istnieniem materii: "zwykłej" materii barionowej, z której zbudowane są atomy, a więc świat, jaki znamy, oraz ciemnej materii, której grawitacyjne przyciąganie wpływa na ruchy gwiazd w galaktykach, ruchy galaktyk w gromadach galaktyk, formowanie się galaktyk oraz oscylacje materii przed rekombinacją, dziś widoczne jako niejednorodności w mikrofalowym promieniowaniu tła.

W lutym rząd Japonii podjął decyzję o finansowaniu projektu Hyper-Kamiokande. Ten olbrzymi detektor neutrin jest następcą Super-Kamiokande, który pozwolił na zbadanie oscylacji neutrin i wyznaczenie parametrów opisujących neutrina - różnice kwadratów ich mas oraz prawdopodobieństwa, z jakimi neutrina oddziałują z innymi znanymi cząstkami. Nowy projekt pozwoli znacznie zwiększyć dokładność, z jaką znamy te parametry, oraz, być może, wskaże różnice między oddziaływaniami neutrin i antyneutrin.

Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, określanych zbiorczo mianem nukleonów. Nukleony wyobrażamy sobie zazwyczaj jako cząstki złożone z trzech kwarków, utrzymywanych razem przez oddziaływania silne. W odróżnieniu od oddziaływań elektromagnetycznych, w oddziaływaniach silnych mamy do czynienia nie z jednym, ale z trzema ładunkami. Fizycy nazywają te ładunki ładunkami kolorowymi, posuwając się niekiedy do nazywania ich określonymi kolorami: czerwonym, zielonym i niebieskim. Nie mają one, rzecz jasna, nic wspólnego z jakimkolwiek zmysłowym postrzeganiem barw i stanowią zaledwie metaforę dla pewnych struktur matematycznych.

Kiedy wysokoenergetyczna cząstka przechodząca przez gęsty ośrodek dielektryczny zderzy się z którąś z cząstek budujących ten ośrodek, może powstawać wiele nowych cząstek, m.in. fotonów, elektronów i pozytonów, które tworzą swoistą kaskadę cząstek. Taka kaskada może mieć kilka centymetrów długości i jest stosunkowo szybka, gdyż tworzące ją cząstki niejednokrotnie poruszają się z prędkościami przewyższającymi prędkość światła w tym ośrodku...

Współczesna kosmologia i astrofizyka oparte są na modelu Wszechświata, w którym około 30% całej gęstości energii przypada na materię niebarionową, czyli egzotyczną formę materii, zwaną ciemną materią (CM). Jest jej około 6 razy więcej niż zwykłej materii barionowej, czyli takiej, z jakiej składają się nasze ciała, planety, gwiazdy i mgławice. W tym artykule postaram się przybliżyć obecny status i prognozy na przyszłość jakże pasjonującego problemu ciemnej materii.

Jak odkryć nową cząstkę elementarną? Lata doświadczeń przyzwyczaiły nas do myśli, że trzeba w tym celu wybudować potężny detektor i zrzeszyć do wspólnej pracy setki, jeśli nie tysiące fizyków. W przypadku zespołu detektora ATLAS przy LHC w CERN-ie zdarza się, że sama lista autorów publikacji naukowej opisującej najnowsze wyniki zajmuje jedną trzecią artykułu. Przekłada się to na ogromne koszty wybudowania i bieżącej obsługi, także naukowej, takiego detektora, więc decyzja o budowie nowego układu eksperymentalnego, np. w postaci akceleratora i stowarzyszonych z nim urządzeń, jest ważną decyzją polityczną. Przykładem może być marcowa decyzja rządu japońskiego o odłożeniu w czasie rozważania wsparcia budowy Międzynarodowego Zderzacza Liniowego (ILC, International Linear Collider).

Na początku roku światło dzienne ujrzała przygotowana w CERN-ie koncepcja nowego zderzacza cząstek elementarnych. Kołowy Zderzacz Przyszłości (ang. Future Circular Collider, FCC) planuje się umieścić w tunelu o stukilometrowym obwodzie. W pierwszym etapie działania, rozpoczynającym się za mniej więcej 20 lat, maszyna miałaby zderzać elektrony z pozytonami przy energii od 91 do 395 GeV. W drugim etapie, planowanym na drugą połowę obecnego wieku, zderzacz zostałby przystosowany do wiązek protonowych i osiągnąłby energię 100 TeV, a zatem około siedmiokrotnie większą od energii, z jakimi zderzały się protony w LHC.

Każdy fizyk-turysta wie, że igła magnesu wskazuje kierunek północny, gdyż jest ona dipolem magnetycznym, który oddziałuje z polem magnetycznym Ziemi...

Żyjemy we Wszechświecie, w którym stałe fizyczne, kolejne generacje cząstek elementarnych, wartość ładunku elementarnego itp., są ściśle określone, przy czym w zasadzie nie wiemy, dlaczego przyjmują taką wartość, a nie inną. Najlepiej znany przykład to tzw. stała struktury subtelnej bezwymiarowa wielkość charakteryzująca siłę oddziaływania elektromagnetycznego naładowanych cząstek...

Cząstka naładowana, która wpada w pole magnetyczne prostopadłe do swej prędkości, zaczyna się poruszać jednostajnie po okręgu, a okres pełnego obiegu tego okręgu jest proporcjonalny do masy tej cząstki oraz odwrotnie proporcjonalny do jej ładunku i do indukcji magnetycznej. Wiele cząstek elementarnych ma też właściwość zwaną spinem. W ogromnym uproszczeniu możemy sobie wyobrażać, że spin wiąże się z ruchem wirowym ładunku elektrycznego cząstki, która w polu magnetycznym zachowuje się jak miniaturowa pętelka z prądem. Okazuje się, że wektor spinu obrazujący "natężenie" i "kierunek" tego prądu również obraca się jednostajnie w polu magnetycznym.

Wiadomo, że proton nie jest cząstką punktową - złożony jest z trzech kwarków "posklejanych" gluonami i jest opisywany przez pewien przestrzenny rozkład ładunku elektrycznego, rozkład momentu magnetycznego, polaryzowalność elektryczną i magnetyczną. W szczególności sensowne jest pytanie o to, jaki jest promień protonu, a w burzliwej historii pomiarów tej wielkości właśnie nastąpił kolejny zwrot akcji.

2016 roku Nagroda Nobla z Fizyki została przyznana za teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii. Z kilku przyczyn nagroda ta była dość nietypowa. Komitet Noblowski zdecydował o wyróżnieniu nie pojedynczego, przełomowego odkrycia, ale raczej nagrodził wprowadzenie do fizyki nowych idei, które ukierunkowały i ukształtowały nasz sposób myślenia o fazach materii. Ponadto, co też nietypowe, nagrodzeni badacze to wyłącznie teoretycy, mimo że ich pomysły znalazły późniejsze potwierdzenie eksperymentalne. Komisja zdecydowała też o nierównym podziale nagrody: jej połowę otrzymał David J. Thouless, a drugą połową podzielili się F. Duncan M. Haldane oraz J. Michael Kosterlitz.

Naruszenie parzystości kombinowanej CP, czyli niezmienniczości procesów przy jednoczesnej zmianie parzystości P (zamiana orientacji układu odniesienia na przeciwną) i sprzężeniu ładunkowym C (od ang. charge; zamiana cząstek na ich antycząstki) w rozpadach neutralnych kaonów, odkryte w 1964 roku, było wielkim zaskoczeniem. Trzy lata później, czyli równo pół wieku temu, Andriej Sacharow zauważył, że jest to jeden z koniecznych warunków wygenerowania przewagi materii nad antymaterią w ewolucji Wszechświata (w wyniku tzw. bariogenezy), czyli warunkiem istnienia nas jako bytów materialnych.

Atomizm ma prastare korzenie, wie to przecież każdy. Jak również każdy wie, że twórcami atomistycznej hipotezy byli Leukip i Demokryt. Nie musi to być jednak prawda; niektórzy greccy filozofowie jej ojcostwo przypisywali legendarnemu fenickiemu protofilozofowi, Mochosowi z Sydonu. A już zapewne mało kto słyszał o atomizmie hinduskim czy (późniejszym) arabskim.

Poszukiwanie cząstek ciemnej materii to chyba najlepiej doświadczalnie umotywowana droga wyjścia poza ramy Modelu Standardowego. Grawitacyjny wpływ ciemnej materii jest udokumentowany dla galaktyk, ich gromad, olbrzymich struktur kosmicznych i całego Wszechświata. Nie wiadomo, z czego ciemna materia się składa, ale możliwość, że są to słabo (lub bardzo słabo) oddziałujące cząstki jest na tyle atrakcyjna, że liczba eksperymentów służących ich poszukiwaniu stale rośnie.

Pogląd, iż ciała makroskopowe zbudowane są z drobnych składników jakimi są atomy i molekuły jest dzisiaj przyjmowany przez wszystkich fizyków za oczywisty. Stosując metody fizyki statystycznej możemy na podstawie praw rządzących ruchem tych składników wyprowadzić między innymi prawa termodynamiki, wyliczyć ciepło właściwe różnych substancji, ich podatność magnetyczną, opór elektryczny itp. Podstawy fizyki statystycznej zwanej dawniej teorią kinetyczno-molekularną zostały sformułowane w drugiej połowie XIX w. w pracach Clausiusa, Maxwella, Boltzmanna i Gibbsa...

W poprzednim numerze Delty opisaliśmy zmagania fizyków XIX wieku z problemem tzw. ruchów Browna. Przypomnijmy podstawowe fakty. W roku 1827 Robert Brown odkrył zygzakowate ruchy wykonywane przez drobne ziarenka zawieszone w cieczy. Ruchy te obserwowano dla wszystkich substancji, o ile zostały one tak rozdrobnione, że ziarenka miały średnicę co najwyżej kilku mikronów. Próby wyjaśnienia przyczyn ruchów Browna napotkały poważne trudności...

Kiedy cały świat, a przynajmniej świat fizyków cząstek elementarnych, pilnie śledził, czy w doniesieniach na temat LHC nie pojawią się wzmianki o zaobserwowaniu jakichś nowych, niewyjaśnianych znaną teorią zjawisk, w małym laboratorium fizyki jądrowej Atomki w węgierskim Debreczynie stwierdzono pewien kłopotliwy fakt...

W 2009 r. po wielu latach przygotowań - udział w takim przedsięwzięciu wypełnia dziś niemal całą karierę fizyka-doświadczalnika - uruchomiony został w CERN-ie akcelerator LHC zderzający przeciwbieżne wiązki protonów i mający, według powszechnych oczekiwań umożliwić dokonanie zasadniczych odkryć w fizyce wysokich energii...

Nagrodę Nobla z Fizyki za rok 2016 odebrali Davis J. Thoules (połowę), F. Duncan M. Haldane (ćwierć) oraz J. Michael Kosterlitz (ćwierć). Zostali oni nagrodzeni za teoretyczne odkrycia topologicznych przemian fazowych oraz topologicznych stanów materii.

Nigdy już się nie spotkamy - rzuciło Neutrino do Kwantu wyjątkowo twardego promieniowania gamma - i od razu uciekło ze Słońca...

Nawet po odkryciu trzeciej rodziny fermionów (kwarków i leptonu i neutrina otwarte pozostawało pytanie, czy słuszna jest propozycja Kobayashiego i Maskawy opisana w odcinku III, według której za niezachowanie symetrii CP, zamieniającej cząstki na ich antycząstki, odpowiada tylko jeden parametr - wspomniany w odcinku I kąt Jeszcze przed powstaniem Modelu Standardowego wysunięta została hipoteza, że za niezachowanie CP jest odpowiedzialne nie oddziaływanie słabe, lecz jakieś inne, jeszcze słabsze oddziaływanie, które zawsze zmienia dziwność hadronu o dwie jednostki...

Neutrina były przedmiotem wyjątkowo wielu artykułów i notek w Delcie. Przypomnę więc tu tylko, że na pomysł istnienia neutrina (elektronowego) wpadł W. Pauli w roku 1932, chcąc ratować zasadę zachowania energii (wydawało się, że jest ona pogwałcona w jądrowych rozpadach ).