RZECZ O ... dodatek do gazety Rzeczpospolita z 19 października 2004 r.

Z czego zbudowany jest świat?

Instalacja detektorów eksperymentu SMC badającego strukturę protonu

Jaki jest podstawowy materiał budowlany materii, np. człowieka, kamienia albo kropli deszczu? Każda z tych rzeczy składa się z różnych związków chemicznych, te z kolei z różnych atomów, a atomy z identycznych protonów, neutronów i elektronów.

Te trzy cząstki uważano za podstawowy budulec całej materii we wszechświecie jeszcze w połowie lat 60. Ten pogląd opierał się na wynikach wielu doświadczeń i pozwalał zwięźle opisać różnorodność materii.

Proton, neutron i elektron mają tę samą wartość własnego momentu pędu (tzw. spinu), ale różnią się np. masą, ładunkiem elektrycznym i rozmiarami. Proton i neutron są kulkami o bardzo małym, ale skończonym rozmiarze (jednej trylionowej milimetra), natomiast elektron wydaje się być nieskończenie mały, ponieważ jego rozmiaru nie można dostrzec nawet przy największych powiększeniach. Pod koniec lat 60. skonstruowano w Stanach Zjednoczonych urządzenie, które pozwalało zajrzeć do wnętrza protonu i neutronu. To, co zobaczono, zapoczątkowało rewolucję w poglądach na budowę materii.

W zwykłym mikroskopie badaną próbkę umieszcza się w strumieniu światła, a powiększony obraz powstaje w wyniku rejestracji światła rozproszonego. Przy badaniu najmniejszych składników materii próbkę umieszcza się w strumieniu elektronów rozpędzonych do olbrzymich energii i rejestruje się rozproszone elektrony. Obraz odtwarza się na podstawie pomiarów ich energii i kątów rozproszenia. Taki mikroskop składa się z dwóch części: akceleratora, który wytwarza strumień rozpędzonych elektronów, i urządzenia, w którym rejestruje się rozproszone elektrony, tzw. detektora. Dzięki takiemu urządzeniu ostrość widzenia poprawia się w miarę zwiększania energii elektronów, co z kolei wymaga coraz większych akceleratorów.

Rewolucja nastąpiła w wyniku obserwacji przeprowadzonych za pomocą akceleratora elektronów o długości ponad 3 km. Okazało się, że proton i neutron są zbudowane z dwóch rodzajów nieskończenie małych obiektów: kwarków (i ich antycząstek, czyli antykwarków) oraz gluonów. Różnią się one m.in. spinem i ładunkiem elektrycznym. Kwarki są obdarzone ładunkiem elektrycznym, podczas gdy gluony są elektrycznie neutralne, a ich spin jest dwa razy większy od spinu kwarków. Zatem poza elektronem, prawdziwie elementarnymi cząstkami materii są kwarki i gluony, a nie proton i neutron. To odkrycie zrewolucjonizowało fizykę wysokich energii i doprowadziło do sformułowania Modelu Standardowego, który wiąże praktycznie wszystkie obserwacje doświadczalne z dziedziny cząstek w logiczną całość.

CERN przystąpił do tych badań w połowie lat 70. i są one prowadzone dotychczas, w ramach kolejnych eksperymentów o kryptonimach: EMC, NMC, SMC i COMPASS. Eksperymenty te były realizowane przez zespoły badawcze, obejmujące od kilkunastu do kilkudziesięciu laboratoriów z Europy, Stanów Zjednoczonych, Japonii i Izraela. Ich celem było szczegółowe zbadanie własności kwarków i gluonów. Niektóre otrzymane wyniki mają rangę odkryć. Stały się one inspiracją do podjęcia kilku innych eksperymentów, prowadzonych do chwili obecnej w kilku największych amerykańskich laboratoriach oraz w niemieckim ośrodku DESY.

We wszystkich tych doświadczeniach uczestniczyli studenci, doktoranci i inżynierowie z Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie, Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej. Polskie zespoły były odpowiedzialne za budowę i poprawne działanie aparatury doświadczalnej oraz uczestniczyły w opracowaniu danych doświadczalnych. Przyczyniły się walnie do uzyskania wyników badań szeroko cytowanych w najlepszych periodykach naukowych. Udział w tych eksperymentach był podstawą kilku doktoratów, habilitacji i nominacji profesorskich polskich fizyków i inżynierów.

Jan Paweł Nassalski,
Instytut Problemów Jądrowych im. A. Sołtana