Otrzymuj e-maile o nadchodzących programach NOVA i powiązanych treściach, a także o raportach dotyczących bieżących wydarzeń z perspektywy nauki.
Z The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , przedstawiającej historię działania LHC i poszukiwania bozonu Higgsa, autorstwa Dona Lincolna. Wydane przez Johns Hopkins University Press. Przedruk za zgodą wydawcy.
Matematyk epoki wiktoriańskiej Augustus de Morgan napisał:
Wielkie pchły mają na swych grzbietach małe pchły, które gryzą
A małe pchły mają mniejsze pchły, i tak ad infinitum.
A wielkie pchły same z kolei mają większe pchły, by dalej iść,
A te znowu mają jeszcze większe, i jeszcze większe, i tak dalej.
Ten często cytowany fragment jest parodią utworu Jonathana Swifta z 1733 roku On Poetry: A Rhapsody , który został napisany o poezji. Jednak naukowcy wzięli te wersy jako metaforę dla świata przyrody. Kiedy poznajemy mikroświat, szybko stajemy w obliczu spostrzeżenia, że cała materia składa się z cząsteczek. Molekuły są z kolei zbudowane z atomów, które same składają się z elektronów i jąder atomowych. Jądra zbudowane są z protonów i neutronów, a te z kolei składają się z kwarków.
Jednak, o ile nam wiadomo, kwarki i elektrony to wszystko. To jest koniec, jeśli chodzi o strukturę. W przeciwieństwie do atomu czy protonu, które mają bogatą strukturę ze złożonymi oddziaływaniami pomiędzy ich składnikami, obecnie uważa się, że kwarki i elektrony nie mają żadnej wewnętrznej struktury. Zarówno teoretycznie jak i fizycznie są one uważane za punkty matematyczne.
Oczywiście każdy, kto ma choć odrobinę wyobraźni, nie może nie powiedzieć: „Chwileczkę. Dlaczego kwarki i leptony same w sobie nie mogłyby mieć wewnętrznej struktury?” Cóż, istnieje tylko jedna możliwa odpowiedź i brzmi ona „mogłyby”. Kwarki i elektrony (i, przez rozszerzenie, wszystkie leptony) mogłyby być zbudowane z jeszcze mniejszych obiektów. Albo one (raczej nieprawdopodobnie) mogą rzeczywiście być fundamentalne (tzn. nie mieć mniejszych części, innymi słowy, bezstrukturalne).
Zanim przejdziemy dalej, rozważmy rozmiary, jakie wchodzą w grę. Wszystko w mikroświecie jest małe. Pojedyncza molekuła jest tak mała, że można by umieścić milion z nich obok siebie w jednym milimetrze. Są one tak małe, że nie można ich zobaczyć za pomocą zwykłego światła. A jednak te mniejsze obiekty są ogromnie duże: miliard razy większe niż granica badań.
Molekuły składają się z atomów, które są mniej więcej jedną dziesiątą wielkości molekuł. Mentalny obraz atomu jako małego systemu słonecznego, ze słońcem jako jądrem i elektronami planetarnymi, jest błędny, a jednak nie jest pozbawiony zalet. Podkreśla on fakt, że atom składa się głównie z pustej przestrzeni, w której elektrony wirują szaleńczo daleko od małego, gęstego jądra. Promień jądra jest około 10,000 razy mniejszy od atomu i zajmuje tylko bilionową część jego objętości.
Jądro atomu składa się z protonów i neutronów, ciasno upakowanych razem. Mój mentalny obraz jądra to masa żabich jaj lub kulek po tym, jak zajmował się nimi maluch o bardzo lepkich palcach. Każdy proton lub neutron ma około 10-15 metrów szerokości i trzeba by trylionów ułożonych od końca do końca, żeby rozdzielić jeden milimetr. To jest małe.
Protony i neutrony zawierają w sobie kwarki i gluony. Najprostszym sposobem myślenia o protonie jest to, że są w nim dwa kwarki górne i jeden dolny tkwiące w polu siłowym gluonów. Pomyśl o trzech ponumerowanych plastikowych kulkach w jednej z tych dmuchanych maszyn loteryjnych, a zrozumiesz podstawową ideę.
Ale umysłowy obraz kwarków jako plastikowych kulek ma jedną poważną wadę. Kulki nie są dużo mniejsze niż maszyna loteryjna. Kwarki są małe. Może lepszym obrazem mentalnym protonu są trzy małe kawałki styropianu w tej samej maszynie.
Co więc wiemy o rozmiarach kwarków? Wcześniej mówiłem, że nie mają one rozmiarów i tak z pewnością traktuje je obecna teoria. Jednak mnie, jako eksperymentatora, bardziej interesują pomiary. Ciebie czytelniku pewnie ciekawi, jakie pomiary wykazały wielkość kwarka. A teraz odpowiedź … a drum roll please … nie ujawniły. Nie oznacza to, że nic nie wiemy o ich rozmiarach. Zbadaliśmy tę kwestię dość dokładnie i wiemy dokładnie, jak dobry jest nasz sprzęt. Gdyby kwarki (i elektrony) były większe niż około dziesięć tysięcy razy mniejsze od protonu, zobaczylibyśmy, że mają jakieś rozmiary. We wszystkich naszych eksperymentach nigdy nie widzieliśmy nawet najmniejszej wiarygodnej wskazówki o istnieniu rozmiaru. Wnioskujemy zatem, że chociaż nie możemy powiedzieć, jaka jest rzeczywista wielkość kwarka lub elektronu, możemy bezpiecznie powiedzieć, że jeśli kwarki w ogóle mają wielkość, to są mniejsze niż jedna dziesięciotysięczna część wielkości protonu.
Jeśli ta idea jest trudna do zrozumienia, zastanówmy się, jak mały obiekt można zobaczyć na własne oczy. Możesz z łatwością zobaczyć ziarnko piasku. Z bardzo dużym wysiłkiem możesz być w stanie zobaczyć najmniejszą odrobinę mąki w swojej szafce. Ale to wszystko. Gołym okiem nie zobaczysz nic mniejszego. Tak więc, kiedy zdecydujesz się spojrzeć na zarazek swoim okiem, możesz dojść do wniosku, że nie ma on żadnych rozmiarów, ale ściśle poprawnym wnioskiem, który powinieneś wyciągnąć jest to, że zarazki są mniejsze niż maleńki pyłek mąki.
Z lepszym sprzętem, powiedzmy potężnym mikroskopem, można zobaczyć, że zarazki faktycznie mają wymierną wielkość. Tak więc, kiedy już natrafisz na ograniczenia swojego sprzętu, musisz po prostu kupić mocniejszy mikroskop. Mikroskop jakim jest LHC i jego dwa główne detektory pozwolą zaobserwować rozmiar kwarków, jeśli będą one nie mniejsze niż 20 lub 30 tysięcznych wielkości protonu … lub wyznaczą granicę, która będzie około dwa lub trzy razy mniejsza niż obecnie sądzono.
Podczas gdy obserwacje, intuicja i piosenka de Morgana mogą być wystarczające, aby wesprzeć swobodne podejrzenie, że inne poziomy materii mogą występować w coraz mniejszych rozmiarach – zupełnie nowa warstwa lub zestaw warstw w kosmicznej cebuli – istnieją również bardziej naukowe powody. Na przykład, rozważmy układ okresowy. Chociaż w zamyśle Mendelejewa miał to być schemat organizacyjny, to wraz ze sformułowaniem teorii atomu jądrowego i mechaniki kwantowej w pierwszych dziesięcioleciach dwudziestego wieku, stało się jasne, że układ okresowy był w rzeczywistości pierwszym wskazaniem struktury atomowej, pół wieku przed tym, jak naprawdę zrozumieliśmy jego przesłanie.
Podczas gdy historia opowiedziana przez układ okresowy wyraźnie wskazywała na strukturę atomu, historia promieniowania jądrowego również sugeruje strukturę jądra. Na przykład, cez ( 137 55 Cs, z pięćdziesięcioma pięcioma protonami i osiemdziesięcioma dwoma neutronami) emituje elektron i staje się barem ( 137 56 Ba, z pięćdziesięcioma sześcioma protonami i osiemdziesięcioma jeden neutronami).
Weźmy te historyczne przykłady i zastosujmy rozumowanie do współczesnego świata. Zdajemy sobie sprawę, że lekcje historyczne nie zawsze mają zastosowanie. Ale czasami tak jest.
Nasz „układ okresowy” cząsteczek jest pokazany na powyższym obrazku. Jego organizacja jest inna niż chemicznego układu okresowego. Na rysunku jest sześć rodzajów kwarków. Kwarki górny, uroczy i górny mają ładunek +⅔ (w układzie, w którym ładunek protonu wynosi +1), a masa kwarka uroczego przewyższa masę kwarka górnego, który z kolei jest przewyższany przez kwark górny. Podobnie kwarki: dolny, dziwny i dolny mają ładunek elektryczny -⅓, a ich masa rośnie w kierunku prawej strony.
W nowoczesnym układzie okresowym, „chemicznie podobne” jednostki są rzędami, w przeciwieństwie do kolumn tablicy Mendelejewa. Widzimy, że istnieją trzy „generacje” lub węglowe kopie tego samego wzoru kwarku i leptonu. Przypomina to bardzo wskazówki, jakie dawał nam chemiczny układ okresowy w drugiej połowie dziewiętnastego wieku.
Jest jeszcze jedno historyczne podobieństwo do rozważenia. Tak jak różne jądra atomowe mogą rozpadać się na inne jądra, tak samo kwarki i leptony. Kwark górny może rozpadać się na kwark dolny i bozon W. Podobnie jest z mionem. Podobnie mion może rozpadać się na elektron i dwa neutrina. Możliwe są również inne rodzaje rozpadów kwarków i leptonów. W rzeczywistości wszystkie cząstki drugiej i trzeciej generacji w końcu rozpadają się na cząstki pierwszej generacji. Jedną z kluczowych wskazówek jest to, że jedyną siłą, która może zmienić jeden kwark lub lepton w inny (mówimy „zmienić 'smak’ kwarka lub leptonu”) jest siła słaba. Co więcej, w szczególności tylko elektrycznie naładowany bozon W może wykonać to zadanie.
Nie ma twardych dowodów na to, że obecność pokoleń kwarków i leptonów wskazuje na to, że kwarki i leptony same składają się z mniejszych (jak dotąd nieodkrytych) cząstek. Jednak historyczna analogia jest bardzo sugestywna i z pewnością zasługuje na bliższą uwagę. Fakt, że emitując bozon W, można zmienić smak kwarka lub leptonu, jest niezwykle cenną wskazówką, która wykrzykuje coś ważnego dla fizyków.
Żałuję tylko, że nie mam dość rozumu, by zrozumieć, co to mówi.
Jednakże, nawet bez kluczowego wglądu, który rozbija zagadkę szeroko, możemy inteligentnie spekulować na ten temat i (co ważniejsze) przesiewać nasze kopce danych, szukając dodatkowych wskazówek. Tak jak w przypadku wszystkich poszukiwań nowych zjawisk fizycznych, musisz zgadywać, czego szukać, a następnie tego szukać. Jakie są więc prawdopodobne eksperymentalne oznaki struktury kwarkowej?
Historycznie, jednym z najlepszych miejsc do poszukiwań były najbardziej gwałtowne zderzenia. Rozbijamy dwa obiekty o siebie i sprawdzamy ile jest zderzeń na każdym poziomie gwałtowności. W szczególności, patrzysz na ilość „przemocy bocznej”. Technicznie nazywamy to pędem poprzecznym, co oznacza, że jest on prostopadły do wiązki. Istnieją techniczne powody takiego wyboru, ale głównie dlatego, że musisz uderzyć w coś mocno, aby to poszło w bok od swojego pierwotnego kierunku.
Dzisiaj większość fizyków przyjmuje postawę „poczekaj i zobacz”, woląc zobaczyć, jakie wskazówki da nam wszechświat. Mimo to zaproponowano nazwy dla tych obiektów mniejszych od kwarków, z których najpopularniejszą jest „preon” (od pre-kwarka). Jednak każdy fizyk teoretyczny, który stworzył teorię, wymyślił swoją własną nazwę. Proponowano subkwarki, maony, alfonsy, kwinki, riszony, tweedle, helony, haplony i cząstki Y. Mnie osobiście podobają się nazwy quinks i tweedles.
Jakie będzie następne wielkie odkrycie? Nie mam pojęcia. Może to być jeden z tematów wymienionych tutaj. Lub, nawet bardziej ekscytujące, może to być coś zupełnie nieoczekiwanego; coś, co po prostu uderzy nas z zaskoczenia. Jak to się mówi, czas pokaże.