• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Detektor WASA pomoże wyjaśnić tajemnicę istnienia materii

    03.09.2010. 07:05
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Międzynarodowa grupa badaczy - w tym polskich naukowców - prowadzi badania, związane z symetriami działającymi wśród cząstek. Mają one fundamentalne znaczenie dla zrozumienia dlaczego we wszechświecie istnieje materia. Doświadczenia są prowadzone z użyciem detektora WASA, który umożliwia obserwację rzadkich zjawisk fizycznych zachodzących w świecie cząstek elementarnych. Uczestniczą w nich naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych (IPJ) w Świerku i fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jak poinformował rzecznik IPJ dr Marek Pawłowski, zgodnie z obecnymi modelami kosmologicznymi, ok. 13,7 miliarda lat temu - ułamki sekund po Wielkim Wybuchu - wypełniające wszechświat kwanty promieniowania przekształciły się w pary cząstka-antycząstka, które spotykając się ze sobą zamieniały się ponownie w energię.

    "Gdyby proces był w pełni symetryczny, powinien doprowadzić do zaniku zarówno materii jak i antymaterii. Tak się jednak nie stało. Niedawno rozpoczęte badania międzynarodowej grupy naukowców, prowadzone z użyciem detektora WASA (Wide Angle Shower Apparatus) przy niemieckim akceleratorze COSY, być może pozwolą uchylić rąbka tej tajemnicy" - wyjaśnił dr Pawłowski.

    Detektor WASA działa przy akceleratorze COSY w niemieckim ośrodku Forschungszentrum w Julich niedaleko Bonn. Trafił tam ze Szwecji, gdzie powstała jego pierwsza wersja, zbudowana przy akceleratorze CELSIUS w Uppsali we współpracy fizyków szwedzkich i polskich.

    Odpowiedzi na pytania dotyczące pochodzenia materii we wszechświecie poszukuje się również m.in. w akceleratorze LHC, gdzie cząstki elementarne są rozpędzane do największych obecnie dostępnych w laboratoriach energii. Jednak nie jest wykluczone - zwraca uwagę rzecznik IPJ - że nowe informacje o łamaniu podstawowych symetrii obowiązujących w procesach fizycznych można uzyskać także przy znacznie niższych energiach: w rozpadach niektórych cząstek elementarnych.

    Operacja polegająca na zamianie cząstki w antycząstkę w połączeniu z odbiciem lustrzanym jest przez fizyków określana jako symetria CP. Łamanie tej symetrii udało się już wcześniej zauważyć w rozpadach niektórych tzw. mezonów K oraz B (mezony to cząstki nietrwałe, składające się z jednego kwarka i jednego antykwarka).

    "Skala tych zjawisk nie pozwala jednak wytłumaczyć obserwacji astronomicznych, wyraźnie wskazujących na dominację materii nad antymaterią we wszechświecie. W pomiarach rozpoczętych niedawno przy detektorze WASA próbuje się więc zaobserwować łamanie symetrii CP w rozpadach mezonów eta, które składają się z kwarków najlżejszych, najbardziej rozpowszechnionych we Wszechświecie" - informuje dr Pawłowski.

    Podkreśla, że zadanie jest jednak niezwykle trudne. "Nasza najlepsza teoria opisująca budowę materii, Model Standardowy, przewiduje, że do niektórych specyficznych rozpadów mezonów eta dochodzi zaledwie raz na wiele milionów zdarzeń" - przypomina.

    Detektor WASA z wyglądu przypomina najeżoną wypustkami kulę. Jego charakterystyczną cechą jest możliwość identyfikacji i pomiaru cząstek rozbiegających się pod różnymi kątami. "Za pomocą WASY potrafimy zarejestrować produkty rozpadu rozchodzące się od punktu, w którym zaszło oddziaływanie, niezależnie od tego, czy polecą one w przód, do tyłu czy też na boki" - opisuje prof. Joanna Stepaniak z IPJ.

    Jak tłumaczy dr Pawłowski, eksperyment WASA-at-COSY jest realizowany w wielu kilkotygodniowych sesjach pomiarowych, podczas których za każdym razem gromadzi się terabajty danych. Ich analiza, prowadzona m.in. przez badaczy z IPJ, jest żmudna i skomplikowana. Do tej pory naukowcy zarejestrowali dziesiątki milionów zdarzeń z udziałem mezonów eta i wyselekcjonowali z nich około 100 przypadków interesujących rozpadów.

    Pierwsze wnioski naukowcy będą mogli sformułować dopiero po przeprowadzeniu analizy statystycznej przynajmniej kilku tysięcy przypadków. Aby zebrać odpowiednią ilość danych, doświadczenia z udziałem detektora WASA będą prowadzone jeszcze przynajmniej dwa lata.

    Przy okazji badacze szukają w zgromadzonych danych śladów zjawisk sugerujących istnienie nowych praw fizycznych. Zgodnie z przewidywaniami Modelu Standardowego, niektóre procesy z udziałem cząstek elementarnych powinny występować nie częściej niż np. raz na bilion przypadków. Gdyby naukowcy rejestrowali je częściej, byłaby to sugestia, że widzimy zjawisko nieopisane przez obecne teorie budowy materii.

    "Możemy się pochwalić, że wyniki eksperymentalne przedstawione w dwóch pracach przygotowanych z dużym wkładem naszego instytutu znalazły się w światowej bazie danych Particle Data Group jako te, które wyznaczają najlepsze ograniczenia na częstość występowania tego typu procesów" - podkreśla prof. Stepaniak.

    Rzecznik IPJ dodaje, że naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku wnieśli do eksperymentu WASA-at-COSY nie tylko wkład teoretyczny. Zbudowali również kilka warstw detekcyjnych detektora WASA otaczających nadprzewodzącą cewkę.

    "W IPJ zaprojektowano również część mechaniczną detektora, a oddział w Łodzi zbudował system do kalibrowania za pomocą światła laserowego ponad 2 tys. elementów detektora" - opisał dr Pawłowski.

    PAP - Nauka w Polsce, EKR

    agt/bsz


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Detektor cząstek elementarnych jest szczególnym przypadkiem detektora promieniowania jądrowego, służącym do wykrywania obecności i badania własności indywidualnych cząstek elementarnych o wysokich energiach, z reguły przekraczających kilka MeV. Najczęściej detektory cząstek elementarnych wykorzystywane są do detekcji produktów zderzeń cząstek rozpędzonych w akceleratorze lub pochodzących z promieniowania kosmicznego. Bariogeneza – hipotetyczny proces zachodzący we wczesnym wszechświecie (krótko po Wielkim Wybuchu), w wyniku którego powstały główne składniki materii nukleony, czyli protony i neutrony. Podstawowym problemem, który usiłują wyjaśnić hipotezy dotyczące procesu bariogenezy, jest obserwowana we wszechświecie nierównowaga pomiędzy liczbą cząstek materii a antymaterii. Naturalną hipotezą jest, że powstający wszechświat powinien zawierać równą liczbę cząstek i antycząstek. Pojawia się zatem problem utworzenia z początkowo symetrycznego stanu wszechświata, obserwowanego obecnie stanu asymetrii pomiędzy materią i antymaterią. Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), Magnetyczny Spektrometr Alfa – moduł-eksperyment z dziedziny fizyki cząstek, który został umieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i którego celem jest dokładny pomiar strumienia naładowanych promieni kosmicznych na niskiej orbicie wokółziemskiej. Eksperyment pozwoli na badanie formowania się Wszechświata, a także na poszukiwanie dowodu istnienia cząstek dziwnych, ciemnej materii oraz swobodnej antymaterii we Wszechświecie. Odkrycie choćby pojedynczych przypadków jąder antyhelu w promieniowaniu kosmicznym dostarczyłoby silnych dowodów na istnienie symetrii między materią i antymaterią.

    Era hadronowa – pojęcie stosowane w kosmologii dla określenia początkowej fazy rozwoju Wszechświata. Na podstawie kosmologicznego modelu rozszerzającego się Wszechświata przyjmuje się, że era ta rozpoczęła się w chwili t =10 s, gdy rozmiary horyzontu stały się większe od średnicy hadronu i można językiem fizyki cząstek elementarnych próbować opisywać tę epokę ewolucji Wszechświata. Głównymi składnikami materii były wówczas znajdujące się w stanie równowagi termodynamicznej, hadrony i antyhadrony, czyli cząstki oddziałujące silnie. W chwili t =10 s, gdy gęstość materii spada do 10 g/cm³, a temperatura do 10 K (odpowiada to energii równej około 100 GeV), następuje odłączenie się od siebie oddziaływań jądrowych słabych i elektromagnetycznych; od tej pory we Wszechświecie istnieją oddzielnie cztery oddziaływania fundamentalne: grawitacyjne, jądrowe silne, jądrowe słabe i elektromagnetyczne. Kolejne ważne wydarzenie ery hadronowej ma miejsce w chwili t =10 s, gdy gęstość wynosi 10 g/cm³, a temperatura spada do 10 K, czyli do wartości, przy której kwarki mogą już łączyć się w protony i neutrony oraz antyprotony i antyneutrony. Era hadronowa kończy się w chwili t =10 s, gdy gęstość maleje do 10 g/cm³, a temperatura do 10 K. Przy takiej temperaturze hadrony i antyhadrony w wyniku anihilacji ulegają prawie całkowitej zamianie w promieniowanie. Jego energia na skutek ekspansji Wszechświata przestaje być wystarczająca do tego, aby zachodziły procesy odwrotne. Ambiplazma – rozrzedzona mieszanina cząstek i antycząstek materii. Ambiplazma lekka jest mieszaniną elektronów i pozytonów, ambiplazma ciężka jest mieszaniną protonów i antyprotonów. Jeżeli ilość materii jest równa ilości antymaterii, to ambiplazma jest symetryczna, w ambiplazmie asymetrycznej jeden ze składników przeważa nad drugim. Pojęcie ambiplazmy wprowadzili Oskar Klein i Hannes Alfvén w latach 60. XX wieku w modelu kosmologicznym, według którego Wszechświat wyewoluował z symetrycznego obłoku mieszaniny materii i antymaterii. Model ten wkrótce upadł, gdyż założenie o symetrii materialnej Wszechświata okazało się błędne. We Wszechświecie antymateria występuje jedynie w ilościach śladowych. W roku 2006 Andrzej Mercik i Szymon Mercik opublikowali podstawy modelu kosmologicznego postulującego powstanie Wszechświata z obłoku ambiplazmy asymetrycznej (arXiv:physics/0604024).

    Quantum bogodynamics (z ang., dosłownie bogodynamika kwantowa albo ściemodynamika kwantowa) jest żartobliwą, sformułowaną w środowiskach hakerskich parodią mechaniki kwantowej, opisującą wszechświat przez pryzmat oddziaływań fikcyjnych cząstek elementarnych, bogonów (przez analogię do nazewnictwa rzeczywistych cząstek elementarnych, np. mezonów; ale też od angielskiego słowa bogus, oznaczającego bezwartościową bzdurę). Spin – moment własny pędu cząstki w układzie, w którym nie wykonuje ruchu postępowego. Własny oznacza tu taki, który nie wynika z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki. Każdy rodzaj cząstek elementarnych ma odpowiedni dla siebie spin. Cząstki będące konglomeratami cząstek elementarnych (np. jądra atomów) mają również swój spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w skład jego cząstek elementarnych.

    Demon Laplace’a – hipotetyczna istota dysponująca kompletną wiedzą o położeniu wszystkich cząstek elementarnych Wszechświata oraz wszelkich siłach działających na nie; dzięki analizie tych danych zdolna do odtworzenia całej przeszłości i przewidzenia całej przyszłości ruchów wszystkich obiektów we wszechświecie. Koncepcja demona Laplace’a reprezentuje filozofię determinizmu oraz fatalizmu. Antymateria – układ antycząstek. Antycząstki to cząstki elementarne podobne do występujących w zwykłej materii (koinomaterii), ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych (np. izospinu, dziwności, liczby barionowej itp).

    W kosmologii fizycznej era kwarkowa była okresem w ewolucji wczesnego Wszechświata, gdy podstawowe oddziaływania: grawitacji, elektromagnetyzmu, oddziaływań silnych i słabych nie miały dzisiejszej postaci, a temperatura Wszechświata była nadal zbyt wysoka, aby umożliwić połączenie kwarków w hadrony. Era kwarkowa rozpoczęła się około 10 sekundy po Wielkim Wybuchu. W epoce kwarków Wszechświat był wypełniony gęstą, gorącą plazmą kwarkowo-gluonową zawierającą kwarki, leptony i ich antycząstki. Energia zderzeń tych cząstek była zbyt duża, aby umożliwić łączenie się kwarków w mezony lub bariony. Era kwarkowa skończyła się, gdy Wszechświat miał około 10 sekundy.

    Particle Data Group (PDG) – międzynarodowa grupa fizyków cząstkowych zbierająca i podsumowująca opublikowane wyniki związane z własnościami cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych. Publikuje również przeglądy fenomenologicznie istotnych wyników teoretycznych, również te związane z pokrewnymi dziedzinami takimi jak kosmologia. PDG wydaje obecnie Review of Particle Physics i jego wersję kieszonkową, Particle Physics Booklet, drukowane co dwa lata jako książki i co roku aktualizowane w Internecie.

    Zimna ciemna materia - jeden z rodzajów ciemnej materii. Postulat jej istnienia wynika z udoskonalenia teorii wielkiego wybuchu zawierającej dodatkowe założenia, że większość materii we wszechświecie składa się z materiału, który nie może być obserwowany, bo nie wytwarza promieniowania elektromagnetycznego (skutkiem czego jest ciemna), a cząstki tworzące tę materię poruszają się wolno (stąd jest zimna). Większość kosmologów traktowała zimną materię jako opis, jak wszechświat przeszedł z gładkiego początkowego stanu we wczesnym czasie (jak pokazują badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła) do rozkładu galaktyk i ich gromad, jaki widzimy dziś - wielkoskalowej struktury wszechświata. Problem płaskości - problem wyjaśniony przez teorię inflacji kosmologicznej, związany z kształtem przestrzeni. Przez kilka ostatnich dziesięcioleci obliczono, że gęstość materii we Wszechświecie bliska jest wartości krytycznej, która określa zerową krzywiznę przestrzeni (płaszczyznę), a co za tym idzie - przestrzeń nie wykazuje znacznej krzywizny. Problem ten porusza również kwestię, jak niewielkie odchylenie od wartości krytycznej wpłynęłoby na obecny obserwowalny Wszechświat. Z obliczeń wynika, że gdyby tuż po Wielkim Wybuchu gęstość materii/energii wynosiła 99,99% wartości krytycznej, w chwili obecnej wynosiłaby jedynie 10% tej wartości, a zatem przestrzeń charakteryzowałaby się globalnie znaczną krzywizną.

    Materia egzotyczna - hipotetyczna koncepcja fizyki cząstek elementarnych; jest to każdy rodzaj materii, który nie jest zgodny z modelem klasycznym lub nie składa się z barionów. Materia tego typu miałaby niespotykane wśród normalnej materii cechy, takie jak np. ujemna masa (nie antymasa - antymateria ma masę dodatnią). Ujemna masa powodowałaby odpychanie grawitacyjne ciał zbudowanych z materii egzotycznej w miejsce przyciągania materii zwykłej. Według niektórych teorii mogłyby z niej być zbudowane tunele czasoprzestrzenne czy hipotetyczne gwiazdy takie jak gwiazdy Q.

    Dodano: 03.09.2010. 07:05  


    Najnowsze