• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Fizycy o krok od potwierdzenia grawitacji w świecie kwantów

    27.01.2012. 07:33
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Jest szansa na potwierdzenie wpływu grawitacji na najmniejsze cząstki materii - twierdzą naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku i Instytutu Fizyki UJ. Byłby to pierwszy doświadczalny dowód na to, że grawitacja działa w świecie kwantów.

    Dotychczas w żadnym eksperymencie nie udało się zaobserwować wpływu grawitacji na cząstki elementarne obdarzone masą. Nie ma więc doświadczalnego potwierdzenia, że grawitacja rzeczywiście działa w świecie kwantów. Odpowiedzi może udzielić analiza danych napływających z międzynarodowego eksperymentu KLOE-2, realizowanego we Frascati we Włoszech. Wytropienia grawitacji w zbieranych danych podjęli się naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku i Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego.

    Grawitacja jest najpotężniejszą siłą w skali kosmosu. Na odległościach charakterystycznych dla świata cząstek elementarnych jej wpływ jest jednak tak mały, że bardzo trudno go zaobserwować. We włoskim Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej w grudniu 2011 r. rozpoczęto zbieranie danych w eksperymencie KLOE-2, zaprojektowanym m.in. do badania fizyki cząstek elementarnych zwanych kaonami. Jednym z celów tego eksperymentu jest próba wykrycia grawitacji w świecie kwantów. W przedsięwzięciu bierze udział polski zespół, kierowany przez prof. dr. hab. Wojciecha Wiślickiego z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i prof. dr. hab. Pawła Moskala z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego (IF UJ). Aby zaobserwować wpływ grawitacji na cząstki elementarne, naukowcy wykorzystają jedno z najbardziej podstawowych zjawisk mechaniki kwantowej - interferencję kwantową.

    KLOE-2, eksperyment w Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej we Frascati pod Rzymem, polega na zderzaniu wiązek elektronów z ich antymaterialnymi partnerami, pozytonami. Energia zderzeń jest tak dobrana, aby doprowadzała do powstania mezonów Fi zero. Mezony to nietrwałe cząstki, zbudowane z jednego kwarka i jednego antykwarka. Wygenerowane w zderzeniach mezony Fi zero niemal natychmiast rozpadają się na dwa pozbawione ładunku elektrycznego mezony K zero (kaony), które rozbiegają się wzdłuż prostej, w przeciwnych kierunkach. Po przebyciu niewielkiej drogi kaony rozpadają się na mezony pi (piony), rejestrowane przez aparaturę pomiarową eksperymentu KLOE-2.

    Neutralne kaony występują w dwóch odmianach: krótkożyciowej i długożyciowej. Dzięki niewielkiej różnicy mas tych cząstek można zaobserwować charakterystyczne, oscylujące widmo ich czasów rozpadów. To właśnie ono szczególnie interesuje naukowców, gdyż ma związek z jednym z najbardziej fundamentalnych zjawisk natury: interferencją kwantową.

    W mechanice kwantowej stany cząstek opisuje się za pomocą funkcji nazywanych falowymi. Funkcję falową stosuje się m.in. do wyliczenia prawdopodobieństwa znalezienia się cząstki w tym czy innym stanie. Gdy w układzie mamy więcej niż jeden obiekt kwantowy tego samego typu, ich funkcje falowe nakładają się i dochodzi do ich wzmocnienia w sposób typowy dla zjawiska interferencji. Tak też dzieje się w przypadku kaonów. Naukowcy są przekonani, że dzięki temu zjawisku przyłapią grawitację na gorącym uczynku.

    "Interferencja kwantowa jest zjawiskiem wrażliwym na zaburzenia. Wyobraźmy sobie sprytnie skonstruowany eksperyment, właśnie taki jak KLOE-2. W izolowanej od otoczenia komorze próżniowej badamy pozbawione ładunku elektrycznego, interferujące ze sobą dwie cząstki elementarne, na przykład kaony. Oddziaływania z polem elektromagnetycznym lub cząsteczkami powietrza dają się wtedy zredukować do małych, nieznaczących wartości. Jedynym niewyeliminowanym czynnikiem zewnętrznym mogącym doprowadzić do zaniku interferencji pozostaje wtedy grawitacja" - tłumaczy prof. Wiślicki z NCBJ.

    Badacz przekonuje, że w ten sposób da się wykryć nawet bardzo słabe oddziaływanie grawitacji. "Obliczenia sugerują, że nawet jeśli energia oddziaływania grawitonu (kwantu oddziaływania grawitacyjnego) z kaonem będzie setki miliardów miliardów razy mniejsza od energii oddziaływań jądrowych, będziemy nadal w stanie zaobserwować ten efekt" - podkreśla.

    Pierwsze zderzenia cząstek w ramach eksperymentu KLOE-2 są już rejestrowane. Ośmioosobowa grupa polskich fizyków, która zajmuje się analizą danych i ich interpretacją teoretyczną, sądzi, że w ciągu roku ilość zebranych informacji powinna wystarczyć do przygotowania wstępnych oszacowań.

    "Byłoby wspaniale, gdyby udało się nam zobaczyć dekoherencję (zaburzenie interfencji - PAP), a może nawet jej zależność od kierunku grawitacji. Ale nawet jeśli jej nie zobaczymy, to także będzie cenny wynik. Poznamy w ten sposób górne, dotychczas najdokładniejsze, eksperymentalne ograniczenie na kwantowe efekty grawitacyjne" - zaznacza prof. Paweł Moskal z UJ. 

    PAP - Nauka w Polsce

    ula/ krf/bsz



    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Model standardowy – teoria fizyki cząstek podstawowych, zwanych też cząstkami elementarnymi, które są podstawowymi składnikami każdej materii. Opisuje trzy z czterech (z wyjątkiem grawitacji) oddziaływań podstawowych: oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne. Sformułowana jest w języku matematyki, opisując relacjami matematycznymi zależności między elementami tej teorii. Opiera się na koncepcji pola Yanga-Millsa. Nośniki oddziaływań - w teoriach kwantowych oddziaływania są przenoszone przez pewne cząstki zwane właśnie nośnikami oddziaływań lub kwantami oddziaływań. Istnieją dwie kategorie takich cząstek - rzeczywiste cząstki (przenoszące oddziaływania elementarne) oraz quasicząstki (pseudocząstki). 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.

    Grawiton – hipotetyczna cząstka elementarna, która nie ma masy, ani ładunku elektrycznego i przenosi oddziaływanie grawitacyjne. Teoria grawitonu jest podstawą różnych kwantowych teorii grawitacji, będących wersją kwantowej teorii pola, ale nie Modelu Standardowego. Mikrocząstki – cząstki materii, do których nie stosują się prawa fizyki klasycznej, a ruchem ich i wzajemnymi oddziaływaniami rządzą prawa teorii kwantów. Do nich należą cząstki o rozmiarach nie przekraczających rozmiarów atomów tzn. rzędu 10 cm i mniejszych. Są to więc głownie cząstki elementarne lub ich zespoły (np. jądra atomowe).

    Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana – instytut naukowy istniejący w latach 1982 - 2011 zajmujący się badaniami z dziedziny fizyki subatomowej (fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa, fizyka plazmy gorącej, itp.) oraz stosowaniem metod fizyki jądrowej i produkcją odpowiednich urządzeń dla rozmaitych gałęzi nauki i gospodarki, w tym zwłaszcza medycyny. Po włączeniu w jego skład Instytutu Energii Atomowej POLATOM nadano mu nazwę Narodowe Centrum Badań Jądrowych. Oddziaływanie słabe jest jednym z czterech oddziaływań uznanych za podstawowe. Przenoszone jest za pomocą jednej z trzech masywnych cząstek: bozonów naładowanych (W i W) oraz bozonu neutralnego (Z). Jest odpowiedzialne za rozpad beta i związaną z nim radioaktywność oraz za rozpad np. mionu i cząstek dziwnych. Siła oddziaływania słabego jest 10 razy mniejsza niż siła oddziaływania silnego. Jest zbyt słabe, by połączyć leptony w większe cząstki, tak jak oddziaływania silne łączą w hadronach kwarki.

    W fizyce cząstek elementarnych, bozony cechowania są nośnikami oddziaływań podstawowych. Innymi słowy, cząstki elementarne, których oddziaływania są opisane przez teorię pola z cechowaniem, powodują powstanie sił poprzez wymianę bozonów cechowania. Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem.

    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.

    Cząstki identyczne to cząstki nie różniące się żadną cechą. Ich nierozróżnialność polega na tym, że zmiana współrzędnych i spinów dwóch dowolnych cząstek tego samego rodzaju nie może zmienić prawdopodobieństwa znalezienia każdej z nich w określonej objętości. Liczby kwantowe cząstek identycznych są jednakowe. Funkcje falowe układu cząstek identycznych są albo symetryczne (dla bozonów) albo antysymetryczne (dla fermionów) przy zamianie liczb kwantowych tych cząstek.

    Dodano: 27.01.2012. 07:33  


    Najnowsze