W 1900 roku, wkrótce po odkryciu elektronu i radioaktywności, Lord Kelvin słynnie zauważył:

Nie ma nic nowego do odkrycia w fizyce. Wszystko, co pozostaje, to coraz bardziej precyzyjne pomiary

Okazało się, że strasznie się mylił. Odkrycie jądra, a następnie jego składników, protonu i neutronu, zrewolucjonizowało nasz pogląd na to, z czego zbudowany jest świat. Nasze rozumienie świata zmieniło się z klasycznego na kwantowe i aż do 1933 roku mechanika kwantowa odnosiła kolejne sukcesy w opisywaniu obserwacji eksperymentalnych. Punktem kulminacyjnym było równanie Diraca, które przewidziało istnienie antymaterii, potwierdzone wkrótce potem przez odkrycie antyelektronu (pozytonu). Zadowolenie fizyków było jednak krótkotrwałe. Za kulisami nie wszystko było w porządku. Mechanika kwantowa z trudem znajdowała wytłumaczenie dla cząstek, które spadały na Ziemię z kosmosu w tempie 10 000 na minutę na m2. Prawdziwa plejada luminarzy fizyki próbowała zrozumieć naturę tych “kosmicznych” cząstek. Ponieważ w tamtym czasie jedynymi znanymi cząstkami były elektrony, protony, neutrony, fotony i (jeszcze nie wykryte bezpośrednio) neutrina. Problem z tym (błędnym) założeniem polegał na tym, że “elektrony” padające na Ziemię zdawały się występować w dwóch odmianach -1. takie, które były łatwo absorbowane przez bloki ołowiu i które tworzyły wtórny deszcz elektronów, pozytonów i fotonów, gdy oddziaływały z ołowiem i 2. Te, które z łatwością przenikały przez ołowiane bloki.

Na początku mechanika kwantowa nie miała wyjaśnienia, dlaczego elektrony miałyby zachowywać się w którykolwiek z tych sposobów, ale stopniowo teoria została zmodyfikowana (szczególnie przez Bethego, Carlsona, Heitlera i Oppenheimera). Znaleźli oni sposób na opisanie typu 1 (“elektronu”, który tryskał ołowiem), ale, niestety, nie mieli tyle szczęścia, by znaleźć wyjaśnienie dla cząstek penetrujących typu 2. Fizycy teoretyczni (odnoszący do tej pory tak wiele sukcesów) byli zrozpaczeni. Oppenheimer, zawsze chętny do dodania odrobiny powagi sytuacji i który generalnie wolał swoją szklankę do połowy pustą, napisał do brata w 1934 roku:

Oppenheimer: Mechanikę Kwantową napędza nikotyna

Jak niewątpliwie wiesz, fizyka teoretyczna – z nawiedzającymi ją duchami neutrin, kopenhaskim przekonaniem, wbrew wszelkim dowodom, że promienie kosmiczne są protonami, absolutnie niekwantyfikowalną teorią pola Borna, trudności z rozbieżnością z pozytonem i zupełna niemożność przeprowadzenia rygorystycznych obliczeń – jest w cholerę sposobów

Wkrótce pomysł, że przenikające cząstki były protonami, został odrzucony, a społeczność fizyków stanęła przed trudnym wyborem: nowa cząstka lub akceptacja, że mechanika kwantowa jest beznadziejnie wadliwa. Przez pewien czas (teraz wygodnie przeoczony) omijano tę kwestię i zaczęto mówić sotto voce o możliwości istnienia “czerwonych i zielonych elektronów” – jeden typ był absorbowany, a drugi przenikał.

Na szczęście, natchniony rozwój nowych technik eksperymentalnych przez zespoły w Europie i USA oznaczał, że eksperymentalne obserwacje przenikających cząstek stały się bardziej precyzyjne. Te eksperymentalne innowacje (w połączeniu z nowymi przełomami w teorii) pozwoliły na interpretację, która doprowadziła do nieuchronnej prawdy: przenikające cząstki były czymś podobnym do elektronu, ale znacznie cięższym.

Cząstka ta otrzymała początkowo nazwę “mezotron”. Jak to często bywa w nauce, nie był to “moment Eureki” odkrycia, ale stopniowe wyłanianie się nowego paradygmatu poprzez pracę wielu ludzi, zarówno teoretyczną jak i eksperymentalną. Andersonowi przypisuje się zasługi (mając już nagrodę Nobla za zaobserwowanie pozytonu, prawdopodobnie łatwiej było mu ją sprzedać…), ale była też spora grupa dramatis personae – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson i Oppenheimer – bez których wkładu “mezotron” nie zostałby odkryty. Szybko przemianowano go na mion i stało się jasne, że mion nie jest czerwonym ani zielonym elektronem, bo gdyby był tylko cięższym lub bardziej energetycznym elektronem, to powinien rozpadać się na elektron i foton, a tego nie zaobserwowano. Mion wydawał się być odrębną cząstką i tak oto mion (po elektronie) był drugą fundamentalną cząstką (tzn. taką, która nie wydaje się być zbudowana z innych cząstek), która została odkryta. Jego odkrycie zwiastowało więc początek fizyki cząstek elementarnych jako przedmiotu.

Miony – nic nie poczułem.

W każdej sekundzie minuty przez Twoją głowę przechodzi kilkaset mionów. Na szczęście ich niskie energie (i duża masa) oznaczają, że są one nieszkodliwe. Miony te pochodzą ze zderzeń promieniowania kosmicznego (głównie protonów wyrzucanych przez gwiazdy) z atomami w naszej górnej atmosferze. Po ich odkryciu zaobserwowano, że liczba tych mionów maleje w miarę zbliżania się do Ziemi i naturalnym (i słusznym) wnioskiem było, że nie są to cząstki stabilne jak elektron, ale trochę latające w dzień i w nocy, i rozpadają się na inne bardziej znane cząstki (elektrony i neutrina) w czasie około 2 milionowych części sekundy. W tym momencie wiadomo było, jaka jest masa elektronu, a neutrina uznawano za bezmasowe, więc patrząc na trajektorię i energię elektronu z rozpadu mionu (lub mierząc czas potrzebny mionowi na rozpad) stało się jasne, że mion był trochę jak wieprz. Ważył około 200 razy więcej niż masa elektronu.

Mion nie jest wielkim impresario i ma raczej ograniczony repertuar najlepiej nadający się do przelotnego pojawienia się w X-factor. W ciągu ostatnich 75 lat zaobserwowaliśmy, że robi on tylko dwie rzeczy: oddziałuje i wytwarza neutrina lub rozpada się i wytwarza elektron i dwa neutrina. Wierzymy jednak, że mion będzie miał ostatni powód do śmiechu i jest czymś więcej niż tylko dwulicowym kucykiem. Mion ma coś w rękawie, co pomoże nam zrozumieć fizykę w skalach energii znacznie wykraczających poza LHC. Uważamy, że odkryje on nowy rodzaj fundamentalnych oddziaływań (oprócz tych, które znamy (elektromagnetycznych, grawitacyjnych, słabych i silnych oddziaływań jądrowych), które mogą pomóc wyjaśnić jeden z najdłużej istniejących problemów w fizyce: w jaki sposób większość antymaterii powstałej w Wielkim Wybuchu została spulchniona (lub przypuszczalnie obecnie zdysonowana) na początku Wszechświata, w czasie potrzebnym na zrobienie filiżanki herbaty?

Planujemy wyprodukować wiązkę mionów o niezrównanej intensywności, aby zaobserwować ten nowy rodzaj oddziaływania (który opiszę w przyszłości). Rzeczywiście, po pewnym okresie zastoju, jest to ekscytujący czas dla mionów, a ich przenikliwe i magnetyczne właściwości są wykorzystywane w wielu zastosowaniach poza fizyką cząstek elementarnych. W latach 60-tych wykorzystywano je do prześwietlania piramid w poszukiwaniu ukrytych komór, a ostatnie postępy w dziedzinie detektorów cząstek naładowanych otworzyły możliwość wykorzystania promieniowania kosmicznego mionów do precyzyjnego obrazowania bardzo dużych objętości (kontenerów morskich, pojazdów towarowych, stacji kolejowych, itp.) w celu wykrycia bomb, materiałów rozszczepialnych lub rzeczy, które wybuchają w nocy. Miony są wykorzystywane do badania właściwości nowych materiałów złożonych, które mogą potencjalnie stać się nowymi półprzewodnikami dla przemysłu elektronicznego lub nadprzewodnikami w temperaturze pokojowej o różnorodnych zastosowaniach, od lewitujących pociągów (co może być kłopotliwe w przypadku The Northern Line) po bezstratny przesył energii. Ostatnio wiązka mionów wyprodukowana w brytyjskim ośrodku ISIS została wykorzystana do zaobserwowania zjawiska “magnetyczności” w “lodzie spinowym”, co jest potencjalnie pierwszym krokiem w kierunku magnetycznej wersji elektroniki.

So stay tuned, the muon is a plodder but its 15 minutes of fame is nigh.

{{/ticker}}

{{heading}}

{{#paragraphs}}

{{.}}

{{/paragraphs}}{{highlightedText}}

{#cta}}{{text}}{{/cta}}}

Przypomnij mi w maju

• Share on Facebook
• Share on Twitter
• Share via Email
• Share on LinkedIn
• Share on Pinterest
• Share on WhatsApp
• Share on Messenger

.