Cząstki elementarne – przedmiot uczuć

Co robi fizyk z zawodową miłością życia osiągnąwszy 90 lat?(*) Dalej dzieli się tą namiętnością. Szczególnie, jeśli głupota polityków odbiera społeczności naukowców szansę na wydobycie z przyrody kolejnej warstwy wiedzy o mechanizmach budujących świat. W 1993 ostatecznie władze USA skasowały projekt SSC(**). Słynna „Boska cząstka” powstała, gdy SSC jeszcze był w planach. Gdy minęły dwie dekady od tej frustrującej decyzji, Leon Lederman i Christopher Hill napisali „Dalej niż boska cząstka” by podsumować fizykę cząstek elementarnych, przekazać żal z upadku planu budowy SSC i pokazać, że sporo tajemnic przyrody można wciąż realizować w Fermilab, nawet przy sukcesach LHC. Ostatecznie to panorama menażerii fascynującego świata rozmiarów biliardowej części milimetra i przedziału czasu dochodzącego do jednej kwadrylionowej sekundy. Gdzieś w głębi zakamarków świata kotłują się procesy, które nie śniły się filozofom, choć determinują to, kim jesteśmy!

Gospodarka rośnie dzięki inwestycjom w naukę. Możliwość stworzenia lotniskowca (każdy najnowszy amerykański klasy Gerald Ford, to koszt porównywalny z misją teleskopu Hubble’a, Webba czy budową SSC) to konsekwencja osiągnięć nauki, a jednocześnie oczywisty składnik militaryzacji (brak naiwności, że pacyfizm lubi każdy, nie pozwala mi zanegować, że w pewnym zakresie broń jest niezbędna niestety, co wynika i z natury człowieka). Lederman i Hill swoją książką starają się pokazać nie tylko ideowy wymiar ciekawości poznawczej, który wart jest nakładów, ale i czysto ekonomiczny zysk dla ludzkości, przy założeniu, że promowany będzie dobry użytek z wiedzy. Choć jest w książce trochę polityki, to jej sednem jest namiętność autorów – fizyka cząstek elementarnych. Smykałka Ledermana do PR-u zaowocowała terminem ‘boska cząstka’ na określenie bozonu Higgsa – poszukiwanego przez dekady kluczowego składnika mikroświata, który stanowi podstawę mechanizmu generującego masę. Nie wystarczyło tej reklamy jednak do przekonania kongresmenów. Po części, podane przykłady zastosowań fizyki najwyższej energii (od bardzo bezpiecznej technologii podkrytycznych reaktorów torowych po tomografie emisyjna PET), stanowią próbę społecznego zasygnalizowania wartości nauk ścisłych.

Z połączenia talentu doświadczalnika z teoretykiem ma szansę powstać tekst zrównoważony między stroną eksperymentalną i koncepcjami zmatematyzowanymi. „Dalej niż boska cząstka” z jednej strony pięknie opowiada o strukturze akceleratorów – tych największych urządzeń budowanych na Ziemi, z drugiej zdaje relację z postępu w zrozumieniu mechanizmów tworzących i przekształcających cząstki, które ostatecznie produkują świat fizyki kwantowej, chemii i biologii. Porównanie istoty funkcjonowania Fermilab czy CERN poprzez analogie z funkcją mikroskopu, pozwala czytelnikowi ‘miekko’ zanurzyć się w trudny świat języka fizyki podstawowej. Lederman wie o magnesach, chłodzeniu ciekłym helem, przyspieszaniu elektronów,… niemal wszystko. Potrzebna do opowieści warstwa formalna, dawkowana jest odbiorcy z reguły wspaniale (polecam chociażby wprowadzenie w słownictwo związane ze skalami energii – str. 55-57 – to wybitna poglądowość). Sam opis oscylacji prawoskrętno-lewoskretnej leptonu to pobudzająca wyobraźnię wizualizacja tętniącej rzeczywistości mikroskali. Akurat ten mechanizm doczekał się humorystycznej analogii (str. 279):

„Wyobraź sobie, że twój chomik za każdym razem, gdy wykona krok w swoim kołowrotku, zyskuje maciupeńkie kwantowe prawdopodobieństwo bycia myszą. Po wielu obrotach kołowrotka moz3sz odkryć, że chomik całkiem zmienił się w mysz.”

Książka jest bardzo wartościowa, bo specyficznie ujmuje temat i dotyka wielu zagadnień, które nie pojawiają się często w publikacjach popularnonaukowych (a które przy tym nie są przesadnie trudne, szczególnie gdy w ich miejsce eksploruje się modne i zawiłe hipotezy strun czy wieloświatów). Lederman i Hill wychodzą ze słusznego założenia, iż warto opowiadać o tym, co istnieje na pewno, a niekoniecznie przebija się do ‘nienaukowego świata’. Stąd wspominany eksperyment z ciekawych mixem teoretyczno-doświadczalnym. Niestety jest też to książka nierówna w poziomie zaawansowania. Choć właściwie nie jest wymagana znajomość wzorów, to pewne partie teoretyczne (o symetrii CPT, o cechowaniu, o masie w sensie Diraca i Majorany) wymagają nieco pogłębienia zdobytego z innych prac popularnych, a co najmniej skupienia i przyjęcia istoty na wiarę. Z kolei opisy ‘klasycznej’ wiedzy skupionej na technikaliach i nauce sprzed rewolucji kwantowej (zasada działania podsystemów akceleratorów, własności elektromagnetycznych fal) to bezcenna dawka nauki dla każdego. „Dalej niż boska cząstka” to podróż przez koncepcje fizyczne odkrywające coraz głębsze struktury przyrody, aż do granic możliwości energetycznych najnowszych przyspieszaczy cząstek. Przywołane zasady podstawowe, zjawiska symetrii lustrzanej (włącznie z analogiami z życia codziennego) układają się w spójny obraz zasad budujących oddziaływanie słabe (odpowiadające za energię słoneczną) i kierują ku, wymaganego do dopełnienia teorii, bozonowi Higgsa. Sugerowana przez tytuł tematyka, to również plany rozwoju badań fundamentalnych. Lederman, jako zwolennik inwestycji w Fermilab mimo oddania palmy pierwszeństwa do europejskiego CERN, prezentuje optymizm. Pokazuje, że jest sporo zagadnień, które pod Genewa nie są rozwijane – zderzacz mionów, poszukiwanie rzadkich procesów, które wychodzą poza Model Standardowy, jak na przykład procesy kanonowe, podwójny bezneutrinowy rozpad beta, przemiany między generacjami leptonów. Jest w tych planach sporo nadziei, nieposkromionej pasji i autentycznej próby zarażenia innych ciekawością do otwartych pytań o przyrodę.

Czemu tylko ocena bardzo dobra? Sam nie mam właściwie zarzutów, ale myśląc o początkującym czytelniku, dostrzegłem kilka rys. Kluczowym teoretycznym tematem przewodnim pracy jest pokazanie w jaki sposób leptony, kwarki i bozony W, Z nabywają masę. Pewne zamieszanie musi budzić stwierdzenie autorów, że przykładowy mion zwiększając prędkość, traci masę (str. 149 - „efekt związany z masą staje się niewykrywalny”). To pozornie przeczy zasadzie, że przyspieszanie prowadzi do nabywania masy relatywistycznej, która przeciwstawia się dalszemu przyspieszaniu i uniemożliwia cząstkom o niezerowej masie na osiągniecie prędkości światła. Zresztą cały ważny fragment o parzystości i chiralności (150-188) jest dość trudny i wymaga pewnej podbudowy (sama ‘chiralność’ jest pojęciem unikatowym, jeśli analizuje się treści popularnych książek dostępnych po polsku, a w istocie nie stanowi trudnego konceptu, skoro mi się kojarzy z wykręcaniem korka z butelki z winem). Nieco pomagają przypisy, choć głównie stanowią rozszerzenie formalizujące. Fascynujący, choć być może nieco dezorientujący jest Dodatek. Właściwie wynika on z zamierzonego zderzenia czytelnika z faktami. Książka prowadzi bowiem opowieść wokół bozonu Higgsa, jako źródła masy. Pod koniec głównego tekstu, autorzy jednak dokonują ‘odkrycia posiadanych kart’ (str. 317):

„Skąd bierze się (…) masa? (…) Prawdę mówiąc, powinniśmy przeprosić cię, że nie powiedzieliśmy ci o tym wcześniej, ale to właśnie masa silna, za pośrednictwem mas protonów i neutronów, tworzy większość widzialnej masy we Wszechświecie – masy gwiazd, planet (…). W istocie bardzo niewielki jej ułamek pochodzi od fundamentalnych i stosunkowo mało masywnych kwarków (…) i elektronów. Masa silna wywodzi się ze skali masy stanowiącej integralny element chromodynamiki kwantowej, a nie z bozonu Higgsa!”

W tych skomplikowanych przeprosinach chodzi o to, że ok. 95% naszej masy kontrolowanej na wadze łazienkowej (tych 50-100 kg) wynika nie z opisanego w książce zjawiska, ale z procesów czysto kwantowej interakcji kwarków z gluonami! (***) Lederman i Hill w umieszczonym Dodatku nieco zaspokajają ciekawość czytelnika zbitego z pantałyku powyższym cytatem. Nie jest on łatwy w odbiorze (w porównaniu z większością tekstu głównego pracy), choć na pewno stanowi wartościowe kompendium wiedzy o Modelu Standardowym. Dostrzegłem tylko jedną formalna nieścisłość. Fizycy sprowadzają hadrony do konfiguracji dwóch (mezony) i trzech (bariony) kwarków, co już lata przed ukazaniem się książki nie było prawdą. (****)

Na koniec uwaga. W fizyce cząstek elementarnych trzeba uważać przyswajając wiedzę w sposób popularny. W miarę szybko można nabyć słownictwa, które pięknie dodaje elitaryzmu na spotkaniach towarzyskich, np. (to moja kompilacja esencji stanu wiedzy):
‘cząstki to wzbudzenia stanu próżni kwantowej, które nabywają masę w wyniku dwóch procesów - oscylacji sprzęgającej je z polem Higgsa oraz swobody asymptotycznej oddziaływań kolorowych kwarków i gluonów’.

Wierzcie mi – te dwadzieścia kilka słów, to poważny kawał wiedzy, za którymi stoi wysublimowana nauka nieskończonych grafów Feynmana, cała maszyneria 20-metrowych detektorów tkwiących 100 metrów pod ziemią koło Genewy, pierwsze doświadczenia małżeństwa Curie i matematyka z całym jej rozbudowanym pięknem. Choć tego wszystkiego nie rozumiem wystarczająco dobrze, to mam świadomość zbiorowego buzowania tej wiedzy w głowach badaczy. (*****)

BARDZO DOBRE – 8/10

=======

Lederman to syn żydowsko-ukraińskich imigrantów z Kijowa i Odessy. Współtworzył i zarządzał Fermilab w USA - największym, do czasu LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) w CERN, laboratorium cząstek elementarnych. Pierwszą organizacją zachodnioeuropejską, do której po upadku komunizmu przyłączono Polskę oficjalnie, było właśnie CERN. W dniu 08.03.2022 w udziale w tej organizacji zawieszono Rosję. Gdzieś jednak tli się sprawiedliwość.

=======

* Opiniowana książka ukazała się na rynku, gdy Lederman miał 91 lat. To jego ostatnie ‘dziecko’ popularyzujące fizykę.

** SSC (Superconducting Super Collider) – Nadprzewodzący Superakcelerator – teksański akcelerator cząstek, który zastąpiłby chicagowski Fermilab i wzmocnił amerykańską dominację w eksperymentach z cząstkami elementarnymi. Po upadku projektu, CERN i akcelerator LHC pozostaje Mekką fizyki fundamentalnej.

*** O oddziaływaniach silnych (i nie tylko) opowiada popularnie ekspert od chromodynamiki – Frank Wilczek. Polecam jego: „W poszukiwaniu harmonii”, „Lekkość bytu. Masa, eter i unifikacja sił”, „Piękne pytanie. Odkrywanie głębokiej struktury świata”.

**** O pentakwarkach (kombinacji 5-ciu kwarków) teoretycy piszą od kilku dekad. Od początku XXI wieku odkrywa się je w akceleratorach, głównie w eksperymencie LHCb w CERN.

***** Kopalnia aktualnej wiedzy o świecie cząstek elementarnych jest dostępna na strona: https://pdg.lbl.gov tworzonej w wyniku współpracy wielu naukowców. Wszelkie nowości, odkryte ostatnio cząstki, podsumowanie stanu tego całego zoo mikroskali, warto śledzić w tym serwisie.

Cząstki elementarne – przedmiot uczuć

Co robi fizyk z zawodową miłością życia osiągnąwszy 90 lat?(*) Dalej dzieli się tą namiętnością. Szczególnie, jeśli głupota polityków odbiera społeczności naukowców szansę na wydobycie z przyrody kolejnej warstwy wiedzy o mechanizmach budujących świat. W 1993 ostatecznie władze USA skasowały projekt SSC(**). Słynna „Boska cząstka”...