Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

To, że muszę przygotować także Ciebie do wysłuchania tego wywiadu, wynika z tematyki eksperymentu, o którym będzie mowa. Jest ona bowiem na tyle specyficzna, że nie mam prawa oczekiwać od Ciebie rozumienia nazw, pojęć i zagadnień, których dotyczy. Na wywiad mamy 5 minut i nie czas będzie wtedy na wyjaśnianie oznaczeń czy skrótów. Dlatego najpierw wprowadzę niezbędne pojęcia, aby mój wywiad z ekspertem był dla Ciebie zrozumiały.

Zacznijmy od rozszyfrowania nazwy eksperymentu. STAR – to skrót od „Solenoidal Tracker ARHIC”. Przypuszczam, że tylko “At” jest w tej nazwie dla Ciebie zrozumiałe, mimo że znasz angielski. Wytłumaczę zatem znaczenie pozostałych słów:

Solenoidal – czyli solenoidalny, a więc zawierający uzwojenie, w którym płynie prąd elektryczny, i które wytwarza pole magnetyczne o kierunku wektora indukcji równoległym do osi solenoidu.

Tracker – coś, co śledzi bądź tropi, a co tropi - dowiesz się za chwilę.

RHIC – to skrót od „Relativistic Heavy Ion Collider”. Wyjaśnienie tego skrótu zaczniemy od końca:

Collider – to zderzacz, czyli urządzenie, w którym zderzają się jądra atomowe.

Heavy Ion – ciężki jon to w żargonie fizyków jądro atomowe o dużej masie.

Relativistic – relatywistyczny – czyli poruszający się z prędkością bliską prędkości światła.

A więc STAR to eksperyment, w którym bada się zderzenia jąder atomowych o dużych masach, przyspieszonych w zderzaczu RHIC do prędkości bliskich prędkości światła. Rejestrowane (śledzone, tropione) są cząstki emitowane w zderzeniach, takie jak elektrony, protony i inne, np. mezony bądź hiperony.

Pokażę Ci teraz kilka ilustracji, by to, o czym za chwilę napiszę, było bardziej zrozumiałe.

RLp09MBVxKAb7
Rys. 1. Schemat detektora STAR. Zwróć uwagę na wielkość sylwetki człowieka i rurę, w której poruszają się przeciwbieżne wiązki, zaznaczone kolorem czerwonym. Miejsce zderzeń jest tam, gdzie znajduje się detektor wierzchołkowy „Silicon vertex tracker” [Źródło: www.star.bnl.gov]

A jak to wygląda w rzeczywistości, możesz zobaczyć na rysunku poniżej. Rysunek ten jest kompozycją fotografii detektora (strona lewa) i rezultatów jego działania (strona prawa).

R12xGVKoxIJl3
Rys. 2. Kompozycja fotografii detektora STAR w czasie prac montażowych (lewa strona) i wizualizacji śladów cząstek rejestrowanych w detektorze przy wyłączonym polu magnetycznym (prawa strona) [Źródło: www.star.bnl.gov]

Rys. 2. stanowi „pomost” pomiędzy Rys. 1. i Rys. 3. Pokazana jest na nim wizualizacja śladów cząstek emitowanych w zderzeniu dwóch jąder złota i rejestrowanych w tzw. komorze projekcji czasowej (Time Projection Chamber, TPC, zobacz na Rys. 1.) przy wyłączonym polu magnetycznym. Detektor rejestruje pełną trójwymiarową konfigurację umożliwiającą wykonanie rekonstrukcji geometrycznej wszystkich zarejestrowanych cząstek, czyli wyznaczenie wektorów ich pędów oraz ich identyfikację. Oczywiście wszystko to wykonywane jest z pomocą specjalnych algorytmów komputerowych opracowanych przez uczestników współpracy STAR, w tym także członków zespołu z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

A teraz popatrz uważnie na Rys. 3. Łatwo zauważysz, że prawie wszystkie ślady wychodzą z jednego miejsca w środku - z punktu zderzenia, a zakrzywiają się w dwie strony, przy czym krzywizny ich są różne. Zakrzywienie śladów jest rezultatem działania pola magnetycznego na cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym, przy czym kierunek zakrzywienia zależy od znaku ładunku cząstki, a promień krzywizny od jej pędu (zob. materiał pt. Jak oddziałuje pole magnetyczne na poruszającą się cząstkę naładowaną?)

RL8VYH4fPsZUU
Rys. 3. Wizualizacja śladów cząstek naładowanych w komorze projekcji czasowej (Time Projection Chamber, TPC) detektora STAR; zob. Rys. 1. Rzut na płaszczyznę prostopadłą do osi wiązki [Źródło: www.star.bnl.gov]

W każdym zarejestrowanym zderzeniu analizuje się wszystkie ślady, a jest ich niekiedy kilka tysięcy, zaś w eksperymencie rejestruje się miliony takich zderzeń. Nic dziwnego, że opracowaniem gromadzonych danych zajmują się zespoły fizyków z kilkudziesięciu instytutów naukowych z całego świata. Jest to naprawdę ogromne przedsięwzięcie naukowe.

Zapytasz – po co to wszystko?

Odpowiem najkrócej jak potrafię: Robimy to po to, by poznać strukturę materii, z której składa się wszystko na świecie oraz zrozumieć mechanizmy oddziaływań pomiędzy najmniejszymi elementami tej struktury.

Jak wiesz, cała materia składa się z atomów, atomy złożone są z jądra atomowego i chmury elektronów wokół jądra. Jądro atomowe skupia ponad 99 procent masy atomu, chociaż jego rozmiary są ponad 10 tysięcy razy mniejsze od rozmiarów atomu. Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, a te złożone są z trójek kwarków. (Więcej na ten temat znajdziesz w materiale pt. Jak za pomocą schematów i rysunków przedstawiać zjawiska fizyczne? ).

Czy kwarki mają wewnętrzną strukturę? Jeśli tak, to jaka ona jest? Z czego się składają? Odpowiedzi na te pytania jeszcze nie znamy, więc na razie zakładamy, że kwarki nie mają wewnętrznej struktury. Jakie są mechanizmy oddziaływań między kwarkami? Stawiamy różne hipotezy, ale która z nich jest prawdziwa? Na Ziemi kwarki nie występują w stanie swobodnym. Są „uwięzione” m. in. w protonach i neutronach i to jest wielka trudność w poznaniu ich własności i oddziaływań. Działają między nimi siły niezwykłe, które rosną (!) w miarę wzrostu odległości i nie można wydobyć kwarków z protonu, czy neutronu (czy pamiętasz, że siła oddziaływania dwóch ładunków elektrycznych, czy dwóch mas, maleje ze wzrostem odległości między nimi? W przypadku kwarków jest odwrotnie!).

Jak widzisz, pytań jest wiele. Jeśli dodam do tego jeszcze, że są przesłanki, które pozwalają wierzyć, że był w historii rozwoju naszego Wszechświata taki czas, kiedy materia zbudowana była właśnie ze swobodnych kwarków, które nie były uwięzione w protonach i neutronach, i że były to mikrosekundy po Wielkim Wybuchu, który był początkiem ewolucji Wszechświata – to zrozumiesz, że gra jest naprawdę o wielką stawkę. (Zobacz też E‑materiał „Problem badawczy, hipoteza badawcza”.)

W zamieszczonym w tym materiale wywiadzie poruszymy tylko mały element dotyczący prowadzonych analiz, króciutko omówimy wyniki, które mogą być podstawą merytorycznej dyskusjidyskusja wyników eksperymentudyskusjiformułowania miarodajnych wnioskówformułowanie wnioskówformułowania miarodajnych wniosków, ale mam nadzieję, że odczujesz twórczy niepokój, jaki takiej dyskusji towarzyszy.

Wcześniej jednak chciałbym Ci przedstawić eksperta, którego poprosiłem o udzielenie nam wywiadu, bo zanim posłuchasz, warto wiedzieć kto do Ciebie mówi. Ekspertem naszym jest pani dr hab. (doktor habilitowany) Hanna Zbroszczyk, która kieruje pracami zespołu w eksperymencie STAR, a tak się składa, że znam ją od jej studenckich czasów.

Kiedy była studentką trzeciego roku na Wydziale Fizyki PW, zapytała mnie o możliwość udziału w pracach kierowanej przeze mnie grupy badawczej. Odpowiedziałem, że dla studenta trzeciego roku jest jeszcze na to za wcześnie, bo tematyka naszej pracy jest dość trudna, że możemy spotkać się za rok, może dwa, gdy będzie bardziej doświadczoną studentką. Ona jednak nie dawała za wygraną.

Ale ja chciałabym spróbować” – upierała się.

No dobrze” – zgodziłem się w końcu i dałem jej zadanie – na próbę.

R6wms8GpaVU2n
Rys. 4. Hanna Zbroszczyk referuje wyniki swych analiz na spotkaniu eksperymentu STAR w Brookhaven

Słowniczek

dyskusja
dyskusja

(ang.: discussion) - słowem tym określa się wymianę poglądów na dany temat, prowadzoną przez dwie lub więcej osób.

dyskusja naukowa
dyskusja naukowa

(ang.: scientific discussion) - rodzaj dyskusjidyskusjadyskusji, dotyczy naukowej tematyki prowadzonej dyskusji. W takiej dyskusji omawia się np. hipotezy naukowe lub wyniki eksperymentów naukowych. Wymienia się poglądy za i przeciw słuszności hipotez lub wyników. Rezultatem tak prowadzonej dyskusji są wnioski, które z jednej strony stanowią podsumowanie dyskusji, z drugiej – zawierają propozycje i wskazówki do prowadzenia dalszych badań w tematyce, która była przedmiotem dyskusji.

dyskusja wyników eksperymentu
dyskusja wyników eksperymentu

(ang.: discussion of the results of the experiment) - rodzaj dyskusji naukowejdyskusja naukowadyskusji naukowej; zawiera odniesienie do problemu naukowego, rozwiązaniu którego eksperyment był poświęcony, oraz hipotezy badawczej, którą eksperyment potwierdza albo obala. W dyskusji przedstawia się też odniesienie do zastosowanej w eksperymencie metody badawczej i zastosowanej aparatury. Odnosi się także do wyników innych eksperymentów o podobnej tematyce oraz do przewidywań teoretycznych. Zwykle dyskusja taka zawiera też uwagi i propozycje dotyczące udoskonalenia metody badawczej i modyfikacji aparatury. Stanowi też podstawę do wyciągnięcia wniosków dotyczących dalszych eksperymentów lub rozwoju teorii.

formułowanie wniosków
formułowanie wniosków

(ang.: conclusions from the discussion) - jest naturalnym następstwem i konsekwencją dyskusji wyników. Wnioski zawierają także odniesienie do badanego problemu i postawionej hipotezy, ale już nie w postaci rozważań, lecz stwierdzeń, które dotyczą stopnia rozwiązania badanego problemu i potwierdzenia (albo obalenia) postawionej hipotezy w wyniku przeprowadzonego eksperymentu. Zawierają też konkretne propozycje kontynuacji badań tak w zakresie eksperymentu, jak i teorii.