Zupa z kwarków

MICHAŁ KUŹMIŃSKI: W CERN słyszałem, że świetnie Pan gotuje.

PROF. MAREK KOWALSKI: To jedno z nielicznych zajęć, które pozwalają oderwać się całkowicie od pracy.

A pracuje Pan m.in. przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). W jego kontekście najczęściej słyszymy dziś o eksperymentach, w których zderza się rozpędzone do wielkich energii protony, a w wyniku zderzenia mogą się ujawnić nowe, nieznane cząstki. Pan tymczasem uczestniczy w innym rodzaju eksperymentów, które nazywa Pan gotowaniem zupy z kwarków. Czym jest ta zupa – chyba najbardziej niespotykany stan materii?

W LHC zderzamy dwa bardzo dobrze znane nauce obiekty: jądra atomowe. Ale jeżeli energia zderzenia jest odpowiednio duża, roztapiają się one. Nie ma już wtedy protonów i neutronów, lecz mieszanka tego, z czego są zbudowane. Tak, jakbyśmy gotowali jarzyny. Jeśli nie zdejmiemy ich z ognia odpowiednio wcześnie, w garnku zostanie rozgotowana breja.

Jądro atomowe budują nukleony, takie jak proton czy neutron, a one z kolei składają się z kwarków. Kwarku nie da się wyciągnąć z cząstki, nie mogą one istnieć swobodnie, lecz tylko jako składniki innych cząstek. Laureaci Nagrody Nobla David J. Gross, H. David Politzer i Frank Wilczek stwierdzili, że siła oddziaływania między kwarkami rośnie tym bardziej, im bardziej się one od siebie oddalają. Wewnątrz protonu, na bardzo małych odległościach, poruszają się jakby swobodnie, natomiast próba wyciągnięcia kwarku z protonu skończy się fiaskiem. To tak, jakbyśmy chcieli oddzielić jeden koniec sprężyny od drugiego: w pewnym momencie sprężyna pęknie, ale nie otrzymamy dwóch jej osobnych końców, lecz dwie sprężyny.

Jeżeli więc uda się ścisnąć zbudowane z kwarków nukleony na bardzo małej objętości i jeszcze je podgrzać, to się rozpuszczą – a kwarki będą tak blisko siebie, że teoretycznie powinny się zachowywać jak cząstki swobodne. Uzyskamy więc plazmę: bąbel rozgotowanych nukleonów, w którym będą krążyć kwarki i gluony.

A czym są gluony?

To cząstki, które umożliwiają istnienie oddziaływań. Oddziaływania opisuje się poprzez wymianę tzw. wirtualnej cząstki, co przypomina zabawę piłką: jedno dziecko rzuca, drugie łapie i natychmiast odrzuca. Żadne nie jest w posiadaniu piłki, ale oboje są nią związani. W przypadku oddziaływań elektromagnetycznych piłką jest foton, zaś dla oddziaływań silnych, czyli wiążących jądra atomowe – gluon, który wymieniają kwarki.

Między plazmą a zupą jest natomiast istotna różnica. Gdy rozgotujemy jarzyny na papkę, już ich nie uratujemy. Plazma zaś nie może istnieć długo: gwałtownie się rozszerza i schładza, a ponieważ ani kwarki, ani gluony nie mogą istnieć jako cząstki swobodne, z powrotem łączą się w protony, neutrony oraz wiele innych cząstek, mniej lub bardziej nietrwałych.

Nie da się jej przelać na talerz i badać. Jak się więc to robi?

W eksperymencie nie widzimy plazmy, tylko efekty jej istnienia. Ona sama natychmiast ekspanduje: schładza się i ze swobodnych kwarków powstają rozmaite cząstki. Te właśnie cząstki rejestrujemy. Dzięki teorii wiemy, że mają one inną charakterystykę niż cząstki uwolnione w zwykłym zderzeniu protonów.

Wielki Zderzacz Hadronów jest maszyną do robienia materii z energii według przepisu Einsteina: E=mc²?

Tak jest, każdy eksperyment akceleratorowy to realizacja wzoru Einsteina: rozpędzamy cząstkę do bardzo dużych prędkości, dostarczając jej energii. Gdy zderzamy pędzące naprzeciw siebie cząstki, energia zderzenia idzie w produkcję nowych cząstek – a więc materii.

Po co się gotuje zupę kwarkowo-gluonową?

Ponieważ to ciekawe. Po pierwsze dlatego, że pozwala to badać oddziaływania silne, dzięki którym istniejemy, bo za ich sprawą może istnieć jądro atomowe. Protony w jądrze są naładowane dodatnio, więc odpychają się elektrostatycznie, jądro powinno się rozlecieć. Ale wiążą je oddziaływania silne, ponad stukrotnie silniejsze.

Ale drugi powód jest jeszcze ciekawszy, bo kosmologiczny.

Trudni się Pan podróżą w czasie.

Co prawda samego siebie nie udało mi się jeszcze wysłać 40 lat wstecz, choć intensywnie nad tym pracuję, ale istotnie: plazma kwarkowo-gluonowa to taki stan materii, który istniał zaraz po Wielkim Wybuchu. Mniej więcej do jednej milionowej części sekundy po nim. Plazma to w zasadzie jedyna szansa na zbadanie, co się wtedy mogło dziać. Nasza wiedza o początkach Wszechświata jest bardzo słaba, bo przecież nie da się zrobić eksperymentu, w którym puścilibyśmy Wszechświat wstecz. Natomiast procesy, których obserwacje pozwalałyby weryfikować naszą wiedzę, np. wybuchy supernowych, zachodzą bardzo rzadko.

Na początku Wszechświata plazma ekspandowała nieco wolniej niż w naszych eksperymentach, bo było jej bez porównania więcej. Zajęło jej to wtedy ok. jednej milionowej sekundy. Następnie powstały nukleony. Po trzech minutach zaś – jądra helu.

Jak daleko do początków Wszechświata możemy się cofnąć?

Dla dzisiejszej fizyki granicą poznania, nawet teoretycznego, jest tzw. granica Plancka, czyli 10^-43 sekundy po Wielkim Wybuchu. Poza nią równania dzisiejszej fizyki robią się rozbieżne, jak ułamki z zerem w mianowniku. Żeby pokonać tę granicę, potrzebna byłaby nowa teoria. A żeby cofnąć się jeszcze trochę w eksperymencie, musielibyśmy otrzymywać plazmę w zderzeniach z jeszcze większą energią.

LHC właśnie ruszył po dwuletnim przeglądzie. Będzie w nim można rozpędzić cząstki do energii dotąd nieosiągalnych. To pozwoli zajrzeć dalej w przeszłość Wszechświata?

Tak, ale niewiele głębiej. Za to więcej będzie samych zderzeń. Poza tym, im większa energia, tym większe szanse, że w zderzeniu plazma w ogóle powstanie.

Czego się dowiedzieliśmy o stanie materii w początkach Wszechświata?

Gdy studiowałem i jeszcze sporo później, wyobrażano sobie, że przewidywana teoretycznie plazma kwarkowo-gluonowa powinna przypominać gaz idealny: składający się ze swobodnych cząsteczek, które ze sobą nie oddziałują. Taki, na przykładzie którego uczono nas w szkole. Dopiero eksperymenty na akceleratorze RHIC w Brookhaven pokazały, że istnieje taki stan materii, w którym nie ma cząstek, lecz tylko kwarki i gluony, ale zachowuje się nie jak gaz, lecz jak ciecz.

A jednak zupa!

Co więcej – ciecz idealna, czyli o minimalnej lepkości. Gdybyśmy strumień takiej cieczy przepuścili przez inną, przepłynie przez nią bez żadnego tarcia. Ponadto, między cząstkami zachodzą korelacje: bo ciecz nie porusza się przecież swobodnie w każdym kierunku jak gaz, lecz tworzy ukierunkowany strumień.
Ostatnie wyniki badań pokazują, że przejście od stanu zwykłej materii do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej nie jest przejściem fazowym, takim jak np. przejście lodu w wodę, czyli topnienie. Wiele wskazuje, że nasza plazma zachowuje się nie jak topiący się lód, lecz jak topiące się na patelni masło.

W Pana kuchni używa się innych składników niż zwykle w LHC: zderza się nie protony, lecz jądra ołowiu.

Ale zderzenia proton–proton też badamy, m.in. dla porównania. Jeśli przy zderzeniu dwóch jąder ołowiu wyjdzie nam to samo, co przy zderzeniu dwóch protonów, tylko razy 208 – bo tyle jest nukleonów w jądrze ołowiu – oznacza to, że niczego nowego się nie dowiedzieliśmy. Dopiero gdy wyeliminujemy takie wyniki, zobaczymy, co nowego się pojawiło.

Używamy jąder ołowiu, bo choć teoretycznie plazma kwarkowo-gluonowa mogłaby powstać w wyniku zderzeń protonów, byłoby jej tak mało, że nie dałoby się jej zmierzyć. Proton ma rozmiar jednego femtometra, promień jądra ołowiu to już osiem femtometrów.

Czy z wszystkich do tej pory wykonanych eksperymentów dałoby się zebrać choć miskę zupy kwarkowo-gluonowej?

Niestety, bez szans. Nasze bąble to obiekty rozmiaru kilku femtometrów, czyli zero, przecinek, piętnaście zer i jeden – metra. Za to są niebywale gęste i gorące. Temperatura plazmy wynosi 1012 Kelwinów. To pięć rzędów wielkości, czyli sto tysięcy razy goręcej niż we wnętrzu Słońca.

Innymi słowy, pod Genewą znajdują się najgorętsze miejsca we Wszechświecie. Ale też najzimniejsze, prawda?

Zgadza się – nadprzewodzące magnesy LHC są schładzane do temperatury nadciekłego helu, czyli niecałych 2 Kelwinów. Różnica między tym a ciekłym azotem jest jak między lodem a wrzątkiem.

Co więcej, w całym Wszechświecie nie ma tak doskonałej próżni, jak w rurach akceleratora LHC. W porównaniu z nią przestrzeń międzygalaktyczna jest zaśmiecona materią.

Mówił Pan, że plazmę bada się, obserwując cząstki, które z niej powstają. Do tego służy Alicja?

Tak. Alicja to ALICE, czyli A Large Ion Collider Experiment – Eksperyment na Wielkim Zderzaczu Jonów. Znajduje się 70 metrów pod ziemią i waży 10 tys. ton, z czego 8 tys. przypada na olbrzymi magnes. Mnóstwo żelastwa, ale zarazem niebywała precyzja: elementy detektorów w LHC ustawia się z dokładnością do 150 mikronów.

Układ detekcyjny ALICE to zespół rozmaitych detektorów. Jedne, tzw. detektory śladowe, rejestrują punkty na torze ulatującej z miejsca zderzenia cząstki. Inne mają nam powiedzieć, co to była za cząstka. Bo detektory śladowe mierzą pęd cząstki, ale nie mówią nam jakiej. Tego się możemy dowiedzieć, znając jej masę. A skoro mamy już pęd, do obliczenia masy potrzeba tylko prędkości cząstki, którą właśnie te detektory w różny sposób mierzą. Wreszcie, detektor śladowy nie zarejestruje cząstek, które nie mają ładunku elektrycznego, jak neutrony czy fotony. Żeby je złapać, trzeba je zmusić do oddziaływania i sprawdzić, co powstanie. Do tego służą kalorymetry. W ALICE zmuszamy w nich foton do tzw. konwersji, czyli zamiany w parę elektron – pozyton. A to już cząstki naładowane, które umiemy zarejestrować.

Koniec końców, w każdym z tych detektorów mierzymy tylko prąd – impuls elektryczny wywołany przez cząstkę. Na ogół jonizuje ona materiał w detektorze, czyli wybija elektrony z jego atomów. A my ich przepływ staramy się odczytać. Ot i cała filozofia.

Cechy kwarków też kojarzą się z kuchnią: to m.in. kolor i zapach. Skąd te nazwy?

Jedna z cech kwarków przyjmuje trzy wartości, chcąc więc ją nazwać, posłużono się analogią z barwami podstawowymi, których połączenie daje kolor biały – bo na zewnątrz cząstki zbudowanej z tych kwarków owej cechy nie widać.

Kolejno odkrywane kwarki trzeba było jakoś nazwać. Nazwano je górny, dolny, dziwny, powabny, spodni i szczytowy. A cechę rozróżniającą te kwarki nazwano umownie zapachem.

Czym pachnie zupa z kwarków?

Nie pachnie. Bo w zderzeniu powstaje tyle samo kwarków, co antykwarków budujących antymaterię. Ich zapachy się znoszą. Pachnie za to cały Wszechświat, bo w nim antymaterii nie ma. A to oznacza, że Wszechświat, zbudowany z dwóch kwarków, górnego i dolnego, pachnie górno-dolno.

U początków Wszechświata plazma istniała jeszcze przed pojawieniem się asymetrii między materią a antymaterią. W Wielkim Wybuchu powstało tyle samo jednej, co drugiej, wynika to z zasad zachowania, m.in. z zasady zachowania zapachu. Cały młody Wszechświat powinien był anihilować i zmienić się w chmurę fotonów. Ale z tajemniczych powodów pojawiła się niewielka nadwyżka materii nad antymaterią. Dlaczego? To wielkie pytanie dla fizyki. Nadzieje na odpowiedź budzą badania tzw. oddziaływań słabych, bo to jedyny rodzaj oddziaływań, które nieco inaczej zachodzą dla materii i dla antymaterii. Ale tym zajmuje się inny eksperyment na Wielkim Zderzaczu Hadronów, o nazwie LHCb.

Z fizyką kwantową można się też spotkać w zwykłej kuchni. W kuchence mikrofalowej i promienniku na podczerwień mamy te same cząstki, a zupełnie różny efekt.

W obu przypadkach oddziałują fotony. Promieniowanie mikrofalowe od podczerwonego różni tylko długość fali, czyli energia. W przypadku podczerwieni jest mniejsza, fala jest więc mniej przenikliwa i podgrzewa potrawę tylko z wierzchu. W kuchence mikrofalowej fotony przenikają całą potrawę i przekazują energię znajdującym się w niej cząsteczkom wody.

Ale fizykę kwantową znajdziemy nawet w palniku gazowym. Płomień to wzbudzony gaz, mamy więc jądra atomowe, mamy elektrony, które przeskakują miedzy orbitami, czego efektem jest świecenie – emisja fotonu.

A kuchnia indukcyjna? Tu z kolei mamy oddziaływania elektromagnetyczne...

Mówiąc najprościej: zmienne pole magnetyczne generuje w materiale oporowym przepływ prądu. A ten za sprawą oporu materiału, z którego zrobiony jest garnek, generuje ciepło. Skądinąd, pozbycie się grzejącego efektu prądu to duży problem, z którym mierzymy się przy budowie potężnych magnesów w akceleratorze. Dlatego wykonuje się je z nadprzewodników mających opór bliski zeru pod warunkiem, że schłodzi się je do wspomnianych wcześniej temperatur.

Które źródło ciepła jest Pana ulubionym?

Najbardziej lubię gotować na prądzie, bo ciepło jest rozprowadzane dużo bardziej równomiernie niż na gazie. I mniej się przypala. Trzeba tylko opanować problem bezwładności cieplnej grzałki.

W kantynie CERN przy długich stołach profesorowie siedzą z doktorantami, a nad dystrybutorem napojów wyświetla się schemat wiązki w akceleratorze. Dobra atmosfera do wymiany myśli?

Zdecydowanie! Wiele poważnych i głębokich zagadnień omawia się właśnie tam, zwłaszcza po godzinach. Kiedyś, w latach 80., działało to jeszcze lepiej, bo kantyna była otwarta całą noc, nie tak jak teraz – do jedenastej. Stek można było zjeść nawet o północy, zawsze go zamawiałem przed nocną szychtą.

Gotując, dostarczamy ciepła do garnka, a więc energii do układu. Ze stanu uporządkowanego, którym są składniki, otrzymujemy nieuporządkowany, czyli zupę. Czy gdy gotuję, przyczyniam się do wzrostu entropii Wszechświata?

Tak. Ale proszę się nie martwić. Do wzrostu entropii, za sprawą której Wszechświat staje się coraz mniej uporządkowany, przyczyniamy się nawet kiwając palcem. Praw termodynamiki nie przeskoczymy. Więc to nie powód, żeby nie gotować.

A teraz przepraszam, idę wyjąć tartę z piekarnika. ©℗

PROF. MAREK KOWALSKI pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, prowadzi badania na Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN przy eksperymencie ALICE, którego jest współtwórcą. Pracował przy projektowaniu jednego z jego detektorów – komory projekcji czasowej. Specjalizuje się w fizyce zderzeń ciężkich jonów.