8

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2001

FIZYKA

Jak kr´ci si´ proton?

W CERN, EUROPEJSKIM LABORATORIUM FIZYKI CZÑSTEK, LADA DZIE¡ ROZPOCZNIE SI¢ EKSPERYMENT, KTÓRY BYå
MO˚E POZWOLI FIZYKOM ODPOWIEDZIEå NA TO PYTANIE. JAN P. NASSALSKI

pano

rama

M

odel budowy Êwiata to jakby kilku-
pi´trowa piramida postawiona na
wierzcho∏ku [ilustracja na sàsiedniej

stronie

]. Na samej jej górze rozpoÊciera si´ nie-

zwykle ró˝norodny Êwiat, w którym mieszka-
my. Pi´tro ni˝ej znajduje si´ magazyn jego ele-
mentów budowlanych – zwiàzków chemicz-
nych i czàsteczek, których rozmaitoÊç jest nie-
porównywalnie mniejsza. Jeszcze ni˝ej – pozio-
my, na których te elementy rozk∏adamy kolej-
no na coraz prostsze sk∏adniki: pi´tro z nie-
spe∏na tysiàcem ró˝nych atomów (lub z oko∏o
setkà pierwiastków chemicznych), a pod nim
ju˝ tylko trzy czàstki, z których zbudowane sà
wszystkie atomy – elektron, proton i neutron.
Czy na tym koniec? Czy czàstek tych nie da
si´ roz∏o˝yç na jeszcze prostsze elementy?

Elektronu nie potrafimy ju˝ na nic roz∏o-

˝yç, ale proton i neutron tak. Na najni˝szym
pi´trze, do którego uda∏o si´ dotrzeç, fizycy

znaleêli dwa kwarki, tzw. górny i dolny. Po-
dobnie jak elektronu – nie uda∏o si´ ich ju˝
podzieliç. W sumie wi´c mamy trzy prawdzi-
wie elementarne ceg∏y tworzàce ca∏à mate-
ri´ trwa∏ego Êwiata: elektron i dwa ró˝ne
kwarki [ilustracja poni˝ej].

Ta piramida nie jest jedynie nieruchomym

pomnikiem naszej wiedzy o WszechÊwiecie,
ale ˝ywà ilustracjà historii jego materii. Po-
wsta∏y w Wielkim Wybuchu WszechÊwiat na-
dal si´ bowiem rozszerza i zmienia. W naj-
wy˝szych temperaturach, jakie panowa∏y
wkrótce po jego narodzinach, mog∏y istnieç
tylko trzy najprostsze elementy budowlane –
kwarki i elektrony. Z nich, w miar´ och∏adza-
nia si´ przestrzeni, tworzy∏y si´ kolejne pi´tra
naszego Êwiata. ChcielibyÊmy poznaç ten nie-
zwyk∏y proces samoorganizacji i dowiedzieç
si´, w jakim kierunku zmierza WszechÊwiat.
Byç mo˝e fizycy natrafià na jakiÊ nowy trop,

Du˝e eksperymenty w fizyce

czàstek wielkich energii,

poza kolejnym numerem

przypisanym w laboratorium,

majà swoje kryptonimy.

COMPASS

oznacza

Compact Muon

and Proton Apparatus for Structure

and Spectroscopy.

Ig∏a

tego „kompasu” kojarzy si´

ze spinem protonu.

DOÂWIADCZALNE

KRYPTONIMY

ELEMENTARNE

SK¸ADNIKI MATERII.

Czàstki, z których

zbudowana jest trwa∏a

materia, sà w „pierwszej

generacji”. Formalnie

nale˝y do niej te˝

elektronowe neutrino,

które materia∏em

budowlanym nie jest.

Wszystkie te czàstki

majà spin

1

/

2

.

Materia

Atom

Elektron

Proton

Jàdro

1. generacja

Elektron
¸adunek elektr. –1.
Zjawiska elektryczne,
reakcje chemiczne

Neutrino elektronowe
¸adunek elektr. 0.
Prawdopodobnie ma
bardzo ma∏à mas´.

Górny (u)
¸adunek elektr. +

2

/

3

.

Proton zawiera 2,
neutron zawiera 1

Powabny (c)
U˝ywany w COMPASS-ie,
budulec nietrwa∏ego mezonu D

0

Top (t)

Denny (b)

Dziwny (s)

Dolny (d)
¸adunek elektr. –

1

/

3

.

Proton zawiera 1,
neutron zawiera 2

Mion
Wiàzka mionów b´dzie
u˝yta w COMPASS-ie

Neutrino mionowe

Neutrino taonowe

Taon

2. generacja

3. generacja

L

L E

E P

P T

T O

O N

N Y

Y

K

K W

W A

A R

R K

K II

Czàstki materii

Z nich
zbudowana
jest trwa∏a
materia

Nietrwa∏e
z wyjàtkiem
neutrin;
istnia∏y zaraz
po Wielkim
Wybuchu,
a teraz
wytwarza si´ je
w akceleratorach

Neutron

Kwarki

CERN

WRZESIE¡ 2001

ÂWIAT NAUKI

9

pano

rama

który pozwoli ten proces lepiej zrozumieç.
Badanie protonu, najprostszej z∏o˝onej czàst-
ki materii, mo˝e si´ do tego przyczyniç.

Proton jest jàdrem atomu wodoru. Mo˝-

na go sobie wyobraziç jako rozmytà kul-
k´ materii o nieostrym rozmiarze oko∏o
0.0000000000001 cm i ∏adunku elektrycznym
identycznym z elektronem, ale o przeciwnym
znaku. Tak mikroskopijne obiekty da si´ oglà-
daç tylko w doÊwiadczeniach przeprowadza-
nych przy u˝yciu „Êwiat∏a” o bardzo du˝ej
energii. Rol´ tego Êwiat∏a odgrywajà czàstki,
które same struktury nie majà, na przyk∏ad
elektrony. Dzi´ki nim mo˝emy obserwowaç
te sk∏adniki protonu, które majà ∏adunek elek-
tryczny. Im wi´ksza ich energia, tym wi´ksze
uzyskujemy powi´kszenie. Rozproszone na
protonie „Êwiat∏o” tworzy coÊ w rodzaju pla-
toƒskich cieni na Êcianach naszych jaskiƒ do-
Êwiadczalnych. Uk∏adajà si´ one w spójne ob-
razy, które mo˝na precyzyjnie opisaç w
matematycznym j´zyku fizyki, natomiast ich
bliski intuicji opis za pomocà kulek, sznur-
ków czy spr´˝ynek jest ju˝ pe∏en paradoksów.

Wyobraêmy sobie, ˝e oglàdamy wn´trze

protonu w coraz silniejszym powi´kszeniu
[górna ilustracja na stronie 10]. Poczàtkowo
widaç tylko dwa kwarki górne i jeden dolny,
które poza ∏adunkiem elektrycznym majà jesz-
cze inny ∏adunek zwany „kolorem”. WartoÊç ∏a-
dunków elektrycznych jest niezwyk∏a, ponie-
wa˝ sà one u∏amkami ∏adunku protonu
i wynoszà odpowiednio +

2

/

3

i –

1

/

3

. W zwy-

k∏ym Êwiecie nie obserwuje si´ ani u∏amko-
wych ∏adunków elektrycznych ani ˝adnych
pojedynczych kolorowych kwarków. Wyglà-
da na to, ˝e od czasu kiedy powsta∏y protony
i neutrony, kwarki na zawsze zosta∏y uwi´zio-
ne w ich wn´trzu.

Wi´zi je tam „kolor”, rozpinajàc pomi´dzy

nimi kolorowe, elastyczne struny, które sà
wiotkie, gdy kwarki znajdujà si´ blisko sie-
bie, ale napinajà si´ z olbrzymià si∏à, gdy po-
jedynczy kwark chcemy wyrwaç z protonu.
W jeszcze silniejszym powi´kszeniu te stru-
ny niczym smugi Êwiate∏ szybko jadàcych
w ciemnoÊci samochodów okazujà si´ Êlada-
mi gluonów – kolorowych czàstek oboj´tnych
elektrycznie, których kwarki u˝ywajà do po-
rozumiewania si´ ze sobà. Ka˝da zmiana ru-
chu jednego kwarka jest uzgadniana z pozo-
sta∏ymi przez wymian´ gluonowego listu.

A jak wyglàda gluon? Na to pytanie nie ma

jednej odpowiedzi. Ta niejednoznacznoÊç do-
tyczy zresztà ka˝dej czàstki elementarnej, po-
niewa˝ jej „wyglàd” zale˝y od pytania-do-
Êwiadczenia, które si´ przyrodzie zadaje.
Gluonowa w∏aÊciwoÊç jest jakby urzeczywist-
niana albo przez pojedynczà czàstk´, albo
przez par´ dwóch czàstek: kwark i antykwark.

W zwyk∏ym Êwiecie takie spotkanie materii
i antymaterii koƒczy si´ najcz´Êciej anihila-
cjà – zamianà uczestników spotkania na Êwia-
t∏o. Na takie unicestwienie gluonowych par
kwark–antykwark nie pozwala ich kolor.

Na fotografii wn´trza protonu zobaczyliby-

Êmy zatem zbiorowisko „kolorowych” czàstek
elementarnych: kwarków i antykwarków oraz
gluonów. Przy jeszcze silniejszym powi´kszeniu
zauwa˝ylibyÊmy, ˝e gluonowe pary kwark–an-
tykwark porozumiewajà si´ z innymi kwarka-
mi za pomocà gluonowych listów. Pojawiajà
si´ te˝ nowe pary kwark–antykwark, które rów-
nie˝ wysy∏ajà nowe gluony. To zbiorowisko
kwarków i gluonów tworzy proton. Kwarków
górnych jest w nim zawsze o dwa wi´cej ni˝
ich antykwarków, a kwarków dolnych o jeden
wi´cej. Obserwowane w doÊwiadczeniach pro-
wadzonych od wielu lat m.in. w CERN oraz w
laboratorium DESY pod Hamburgiem pomna-
˝anie si´ liczby gluonów i par kwark–antykwark
jest zgodne z „kolorowà teorià”, zwanà chromo-
dynamikà kwantowà, która opiera si´ na bar-
dzo prostych za∏o˝eniach dotyczàcych czasu,
przestrzeni i symetrii si∏ dzia∏ajàcych pomi´-

EWOLUCJA WSZECHÂWIATA

od Wielkiego Wybuchu
do epoki, w której ˝yjemy.

10

–43

s

10

32

K

10

27

K

10

15

K

10

10

K

10

9

K

6000 K

18 K

3 K

10

–34

s

10

–10

s

1 s

3 min

300 000

lat

1 mld

lat

15 mld

lat

promieniowanie
czàstki

ci´˝kie czàstki
niosàce s∏abe
oddzia∏ywania

kwark
antykwark
elektron

pozyton (antyelektron)
proton
neutron
mezon
wodór
deuter
hel
lit

CERN

10

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2001

pano

rama

dzy kwarkami. K∏opot pojawia si´ wtedy, gdy
chcemy opisaç bardzo wa˝nà wielkoÊç zwanà
spinem lub kr´tem. Problem ten okreÊlany by-
wa niekiedy kryzysem spinowym.

Na czym on polega? Otó˝ spin mo˝na so-

bie wyobraziç jako wielkoÊç opisujàcà wiro-
wanie czàstki wokó∏ w∏asnej osi, podobnie
jak p´d okreÊla ruch czàstki po linii prostej al-
bo samochodu p´dzàcego po autostradzie.
Nakr´cany bàk w pudle z zabawkami ma spin
równy zeru, natomiast spin bàka wprawio-
nego w ruch ma wartoÊç zale˝nà od pr´dko-
Êci wirowania i od rozk∏adu jego masy.
Wszystko, co si´ przemieszcza, ma p´d, na-
tomiast wszystko, co wiruje, na przyk∏ad klo-
nowy skrzydlak, podkr´cona pi∏ka czy galak-
tyka, ma spin. Jego wartoÊç w ka˝dym z tych
przypadków jest inna. Natomiast wszystkie
czàstki elementarne tworzàce materi´ majà
spin, którego wartoÊç jest zawsze taka sama
i w odpowiednich jednostkach wynosi

1

/

2

.

To w∏aÊnie po∏ówkowa wartoÊç spinu spra-

wia, ˝e istniejà ró˝ne jàdra atomowe i atomy,
i to dzi´ki niej nasz Êwiat jest taki ró˝norodny.
Po∏ówkowy spin majà elektrony, kwarki, proton
i neutron. Jest on okreÊlony nie tylko przez war-
toÊç, ale i przez kierunek wzd∏u˝ osi wirowania.
Spin wskazówek naszego zegarka jest skierowa-
ny ku r´ce. GdybyÊmy mieli dwa identyczne
bàki – jeden wirujàcy w prawo, a drugi w lewo
– to suma ich spinów by∏aby równa zeru, ponie-
wa˝ znaki ich wartoÊci by∏yby przeciwne. Weê-
my proton i skierujmy jego spin „na pó∏noc”.
Wtedy, zgodnie z regu∏ami obowiàzujàcymi
w Êwiecie czàstek, uporzàdkujà si´ równie˝ spi-
ny kwarków. Cz´Êç z nich zostanie skierowana
„na pó∏noc”, a cz´Êç „na po∏udnie”, natomiast
˝aden nie ustawi si´ „na wschód” lub „zachód”.

W protonie, który ma spin

1

/

2,

sà w rezulta-

cie trzy kwarki: dwa górne i jeden dolny, i ka˝dy

z nich ma równie˝ spin

1

/

2

. Najprostszym sposo-

bem zbudowania spinu protonu by∏oby zatem
ustawienie spinu dwóch kwarków w kierunku
spinu protonu, a jednego w kierunku przeciw-
nym. Tymczasem wyniki dotychczasowych do-
Êwiadczeƒ pokazujà coÊ innego: suma spinu
kwarków jest mniejsza ni˝

1

/

2,

i na tym w∏aÊnie

polega s∏ynny „kryzys spinowy”. Podejrzewamy,
˝e na t´ wartoÊç sk∏adajà si´ równie˝ gluony, któ-
rych spin ma wartoÊç jeden, oraz tzw. orbitalny
ruch wszystkich elementarnych sk∏adników pro-
tonu, z kwarkami i gluonami w roli planet. Ich
ruch obrotowy wokó∏ w∏asnej osi reprezentuje
zwyk∏y spin, natomiast ruch okr´˝ny po orbicie
jest êród∏em spinu orbitalnego, który równie˝
trzeba uwzgl´dniç w bilansie.

W ten sposób do otrzymania spinu równego

dok∏adnie

1

/

2

wymagane jest niezwyk∏e wspó∏-

dzia∏anie kilku elementów: zwyk∏ego spinu
kwarków i gluonów oraz ich spinu orbitalne-
go. W Êwiecie planet i wszelkich nieelementar-
nych obiektów takie dopasowanie jest niemo˝-
liwe. WyjaÊnienie, jak ono powstaje na poziomie
elementarnym, to wyzwanie zarówno dla fizy-
ków zajmujàcych si´ teorià kwarków i gluonów,
jak i tych, którzy badajà najprostsze czàstki
z nich zbudowane. Podjà∏ je zespó∏ pracujàcy
nad eksperymentem COMPASS, który ma na
celu w∏aÊnie znalezienie wk∏adu spinu gluonów
do spinu protonu. W tym du˝ym przedsi´wzi´-
ciu uczestniczy stu kilkudziesi´ciu fizyków z 40
laboratoriów Europy, Stanów Zjednoczonych,
Japonii i Indii. Polski zespó∏ liczy kilkunastu fi-
zyków i in˝ynierów z Instytutu Problemów Jà-
drowych im. Andrzeja So∏tana, Politechniki
Warszawskiej i Uniwersytetu Warszawskiego.
Eksperyment potrwa kilka lat, ale pierwszych
wyników spodziewamy si´ ju˝ za rok.

Prof. dr hab. JAN P. NASSALSKI pracuje w Za-
k∏adzie Fizyki Wielkich Energii Instytutu Pro-
blemów Jàdrowych im. Andrzeja So∏tana i kie-
ruje polskim zespo∏em uczestniczàcym w
eksperymencie COMPASS.

èród∏em Êwiat∏a badajàcego

struktur´ protonu b´dà w tym

przypadku obdarzone elektrycznym

∏adunkiem miony – nietrwa∏e czàstki

elementarne 200 razy ci´˝sze od

elektronu. Poniewa˝

wirtualne fotony

sondujàcego „Êwiat∏a”

powinny

mieç wysokà energi´, wi´c i energia

u˝ytych mionów musi byç du˝a.

Z mionów uformuje si´ równoleg∏à

wiàzk´ i b´dzie si´ nià

naÊwietlaç protony znajdujàce si´

w specjalnym urzàdzeniu, tzw.

tarczy spolaryzowanej, umieszczonej

w silnym polu magnetycznym

i temperaturze oko∏o 0.1 K.

Spiny tych protonów, a tym samym

i ich sk∏adników, zostanà

zorientowane równolegle (bàdê

antyrównolegle) do kierunku wiàzki.

Wirtualny foton b´dzie poch∏aniany

jedynie przez kwarki i antykwarki

o spinie antyrównoleg∏ym do spinu

wirtualnego fotonu. Cz´Êç z nich

pochodziç b´dzie z gluonu

i w∏aÊnie oddzia∏ywania

z gluonowymi kwarkami b´dà

najbardziej w tym eksperymencie

interesowaç fizyków. Jak zamierzajà

te oddzia∏ywania odró˝niç

od innych i zmierzyç?

Otó˝ kwark, który poch∏onie

wirtualny foton, zostanie wyrzucony

z protonu, po czym zgodnie

z najbardziej prawdopodobnym

scenariuszem, pojawi si´

w towarzystwie innego antykwarka

jako nietrwa∏a czàstka. Trzeba

b´dzie jà zidentyfikowaç i zmierzyç

jej p´d. Poszukiwaç b´dzie si´

zatem takich czàstek zawierajàcych

inne kwarki ni˝ górne i dolne,

z których zbudowany jest

proton, poniewa˝ te inne,

na przyk∏ad kwark powabny,

pochodziç mogà tylko z gluonu.

Mierzàc prawdopodobieƒstwo

pojawienia si´ tych czàstek

w zale˝noÊci od tego, jak ustawiony

by∏ spin protonu w spolaryzowanej

tarczy, da si´ okreÊliç

wk∏ad

spinu gluonów do spinu protonu.

ABC EKSPERYMENTU

COMPASS

JEDEN Z KWARKÓW,

na przyk∏ad u, wysy∏a gluon g,

który zamienia si´ w par´ kwarków c i c–. JednoczeÊnie
mion wiàzki (

m) wysy∏a wirtualny foton (g*), który

wybija z protonu kwark c. Do tego kwarka
przy∏àcza si´ antykwark

–

u

i tworzà razem mezon D o.

Z kolei ten rozpada si´ na mezony K– i

p

+

, które

b´dzie si´ obserwowaç w eksperymencie COMPASS.

WED¸

UG PROJEK

TU A

UTORA RYSUNKI WYK

ONA¸ W

A

WRZYNIEC ÂWI¢CICKI

JEDNA Z WIELU

mo˝liwych fotografii protonu

w du˝ym powi´kszeniu. Symbol g oznacza gluon,
u

– kwark górny, d i d

–

–

kwark i odpowiednio

antykwark dolny, zaÊ c i c– – kwark
i antykwark powabny.