Ktoś może zapytać: no i co? Patrzysz, dziewczyno, na ten spin protonu… i dlaczego to jest dla ciebie takie ważne? – rzuca ze śmiechem dr Maria Żurek, gdy łączymy się zdalnie. Ja z Warszawy, gdzie wiosna raczy nas sobą oszczędnie, ona ze słonecznej Kalifornii.

Maria jest fizyczką doświadczalną, zawodowo zajmuje się protonami, a konkretnie zderzaniem ich w potężnych akceleratorach (przyspieszaczach) cząstek. Ma w sobie tyle pozytywnej energii, że gdyby chciała, to sama mogłaby te protony rozpędzać do prędkości światła. Uprzedzam, zaraża fascynacją do fizyki! Niedawno przeniosła się z Berkeley Lab na Argonne Lab, USA.

To pytam: dlaczego ten spin protonu taki ważny? – Spin jest podstawową wielkością, tak jak masa czy ładunek. Ma ją każda elementarna cząstka we Wszechświecie. Jest wielkością fundamentalną, bo odpowiada za to, że materia, z której się składamy, jest uporządkowana w taki, a nie inny sposób – podkreśla Maria. – Moje najważniejsze pytanie to: jak wygląda proton, jeśli chodzi o strukturę spinową. Wiemy, że spin protonu jest dobrze określony, to 1/2. My się zastanawiamy, jak te własności protonu są związane z jego niesamowicie dynamiczną strukturą – tłumaczy.

Bo, tu przypomnienie, proton nie jest cząstką elementarną. Składają się na niego kwarki i gluony, które (to jest szokujące) poruszają się niemal z prędkością światła. – To jest trochę nieintuicyjne…. – przyznaje Maria. Mhm, trochę.

Ta rozmowa była dla mnie wielką przyjemnością, do której zapraszam też Was. Odpalajcie odcinek i dajcie się wciągnąć w świat najbardziej fundamentalnych cegiełek budujących naszą rzeczywistość. Gadamy o fizyce, korzystając z metafor gumki recepturki, bączków i obwarzanków. Pytam też, jak to jest pracować w tak wielkich grupach badawczych, jak to jest iść do pracy, żeby rozpędzać protony, jak to jest być „et alem” i co dr Żurek uważa na temat głośnych wyników z Fermilabu w eksperymencie Muon g-2.

Odcinek obowiązkowy!

Zdjęcia dzięki uprzejmości Marii Żurek.

 

TRANSKRYPCJA

 

Karolina Głowacka: Elektron fruwa jak szalony, ale proton jest spokojny czy wręcz nudny – otóż dalece, dalece nie.

 

Maria Żurek: Jeżeli popatrzymy sobie we wnętrze protonu, to wszystko jest niesamowicie dynamiczne. To nie tylko to, że mamy trzy kwarki, pary kwark-antykwark i gluony. To wszystko porusza się prawie z prędkością światła, jest niesamowicie dynamiczne. Wydaje się to trochę nieintuicyjne.

 

K.G.: Trochę nieintuicyjne? Przyznacie chyba, że wizja cząstek elementarnych, które pędzą wewnątrz protonu i poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła na ekstremalnie małych odległościach, daleka jest od jakiejkolwiek naszej makroskopowej intuicji. Jednak to się dzieje. Tylko skąd my to możemy wiedzieć? Jak naukowcy zaglądają do wnętrza protonu? O tym opowie wam polska fizyczka doświadczalna, która zderza protony w wielkich akceleratorach, przyspieszaczach. Bohaterka tego odcinka jeszcze nie jest w Polsce szeroko znana, ale zobaczycie – jeśli tylko zechce, będzie gwiazdą popularyzacji nauki. Nazywam się Karolina Głowacka, to jest Radio Naukowe – podcast napędzany przez społeczność patronek i patronów na patronite.pl. Odcinek trzydziesty dziewiąty, zaczynamy.

 

K.G.: Mam wielką przyjemność rozmawiać z doktor Marią Żurek, fizyczką pracującą w Argon National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Dzień dobry.

 

M.Ż.: Dzień dobry, witam ze słonecznej Kalifornii.

 

K.G.: I moje serce już w tym momencie jest pełne zazdrości, ponieważ siedzę w Warszawie, a naszą rozmowę nagrywamy pod koniec kwietnia i słyszałam ostatnio, że w maju ma być w Polsce śnieg, tak że tak to wygląda. A teraz będziemy rozmawiać przede wszystkim o twojej pasji – protonach. Nam się wydaje, że protony to są te kuleczki. Znamy wszyscy ten klasyczny model atomu – kuleczki poklejone w środku, kto mądrzejszy, to dołoży jeszcze, że są tam neutrony i te elektrony sobie fruwają na orbitach. Jak można się spodziewać, nie ma to wiele wspólnego z rzeczywistością. Powiedz, proszę, na początek, jak stare są protony. Czy powstały one od razu?

 

M.Ż.: Jeżeli chodzi o atom, zacznę od tego, że ten obrazek, gdzie mamy w środku jądra atomowe i te fruwające elektrony, oczywiście nie jest do końca poprawny, natomiast do opisania i wyobrażenia sobie pewnych zjawisk, które zachodzą w atomie i generalnie w fizyce, w takiej mikroskali, nie jest on zły. Więc to zależy, jak patrzymy na atom, na jądra atomowe, na protony i neutrony, w jakiej skali. Jeżeli chodzi o protony i neutrony, to powstały one zaraz po Wielkim Wybuchu, czyli po tym momencie zero naszego Wszechświata, kiedy Wszechświat był bardzo mały, gęsty, gorący i wypełniony energią. Potem z tej energii powstała materia, która na samym początku była głównie tylko cząstkami elementarnymi. Są to najbardziej podstawowe cząstki, których na razie wydaje się, że nie możemy podzielić, że one nie mają jakiejś wewnętrznej struktury. Ten Wszechświat był pełny cząstek elementarnych, które nazywają się kwarki, antykwarki, gluony i elektrony. Te protony i neutrony powstały, kiedy Wszechświat się rozszerzał i był coraz bardziej chłodny. Mniej więcej po kilku milionowych sekundy kwarki i gluony połączyły się w protony i neutrony. Potem po kilku minutach te protony i neutrony były w stanie połączyć się w cięższe jądra atomowe, ale Wszechświat cały czas się rozszerzał i ochładzał, więc wszystko zaczynało dziać się troszeczkę wolniej. To znaczy, kilka minut to i tak jest bardzo szybko…

 

K.G.: Mówimy trochę o innych skalach.

 

M.Ż.: Dokładnie. A potem, po około trzystu osiemdziesięciu tysiącach lat elektrony połączyły się z jądrami i powstały pierwsze atomy. To wszystko działo się na przestrzeni lat, a na początku minut i sekund po Wielkim Wybuchu, więc te protony i neutrony właściwie powstały bardzo szybko, w mgnieniu oka. Kilka milionowych sekund po Wielkim Wybuchu. 

 

K.G.: Ale jednak chwilę to trwało, zanim one powstały. Co prawda tak krótką, jak tylko sobie można wyobrazić, ale jednak najpierw były te cząstki superelementarne, może tak je określmy. Co takiego spowodowało w takim razie, że powstały protony? Co skłoniło te cząstki elementarne, żeby się ze sobą skleić i taki proton czy neutron wytworzyć? Dlaczego nie chcą być wolne i latać sobie absolutnie swobodnie? Co im w tym przeszkadza?

 

M.Ż.: To jest bardzo dobre pytanie i naukowcy przez długi czas po pierwsze nie wiedzieli, że protony mają coś w środku. Po drugie jak już się tego dowiedzieli, to nie do końca wiedzieli, jak te rzeczy są ze sobą posklejane. Więc teraz z perspektywy czasu mogę odpowiedzieć po wielu latach badań – i eksperymentalnych, i teoretycznych – że wiemy do pewnego stopnia, jak te kwarki  i gluony się ze sobą łączą. Jeżeli chodzi o sam początek Wszechświata, to po prostu musiał on mieć na tyle niską temperaturę i niską energię, żeby te kwarki i gluony mogły się ze sobą połączyć. I ta dostarczona energia, ta temperatura, która tam była, nie powodowała, że one się rozrywały, że były tak energetyczne, że nie mogły się ze sobą połączyć. To tak jakby biegać w jakimś szalonym pędzie na koncercie. Więc jak mamy za dużo tej energii na samym początku, to one się ze sobą nie połączą. Natomiast wiemy teraz po pierwsze, po jakim czasie te kwarki i gluony połączyły się ze sobą, a po drugie, jakie siły to powodują i mniej więcej jak ten proton wygląda w środku. 

 

K.G.: To jest jakaś względnie świeża wiedza? Od kiedy wiemy, że proton nie jest kuleczką samą w sobie? Że nie jest cząstką elementarną, tylko że w środku coś jeszcze jest?

 

M.Ż.: To działo się na przestrzeni lat. Jeśli chodzi o historię odkrywania tego, jak wygląda proton, i oddziaływań silnych, to zaczęło się to gdzieś w latach siedemdziesiątych, osiemdziesiątych. Na samym początku pierwszy eksperyment to było odkrycie jądra atomowego. Rutherford rozpraszał cząstki alfa na jądrach atomowych i patrzył, jak te cząstki się rozpraszają. Był on w stanie wydedukować z tych reakcji, jak wygląda atom, i to, że te cząstki rozpraszały się na jakimś bardzo małym, skoncentrowanym ładunku, który był w środku tego jądra atomowego. Czyli tak naprawdę nie patrzył bezpośrednio na to jądro atomowe, ale na pewne procesy, na rozpraszanie na tym jądrze. I z tego można było wydedukować, jak ten atom wygląda. 

Podobna technika zachodzi w przypadku badania struktury protonu, żeby zobaczyć, co znajduje się w środku. Od lat siedemdziesiątych, osiemdziesiątych zaczęto rozpraszać inne cząstki elementarne, elektrony, które znamy z atomów, które sobie fruwają na tych powłokach w atomie. Możemy je rozpraszać na protonach. I z tego rozpraszania sprawdzano, jak zachodzi reakcja, jak ten elektron się zachowuje po tym rozpraszaniu, jak prawdopodobne jest takie rozpraszanie w zależności od kąta, od tego, jak bardzo energetyczny był ten elektron. No i zaczęto wnioskować, co tam w środku jest. Na początku zauważono, że proton ma jakiś rozkład ładunku w przestrzeni, że to nie jest punkt, że to jest jakiś rozkład, że my tego nie rozpraszamy na punktowym ładunku, ale że jak chcemy opisać prawdopodobieństwo tego rozpraszania, to musimy włączyć jakiś dodatkowy faktor, który opisuje rozkład tego ładunku w przestrzeni. Potem naukowcy w latach osiemdziesiątych i później zaczęli rozpraszać jeszcze bardziej energetyczne elektrony na tym protonie. I w końcu okazało się, że jak uderzymy ten proton z dużą siłą, z wysoką energią elektronu, to jesteśmy w stanie go rozbić. I on po prostu ucieknie, rozbije się, to zderzenie będzie nieelastyczne. Nazywamy to nieelastycznym rozpraszaniem, no bo ten elektron i proton to już nie są kulki, tylko elektron się rozpada i tam powstaje taki dżet cząstek, które uciekają. I po raz kolejny zaczęto sprawdzać, jak prawdopodobieństwo takich reakcji zależy od ich nieelastyczności, od tego, jak energetyczną mamy sondę, czyli ten elektron, którym uderzamy w proton. I opisując te prawdopodobieństwa, wywnioskowano, że tak naprawdę ten elektron nie rozprasza się na jakimś ładunku, tylko na punktowych, czyli bardzo malutkich naładowanych obiektach, które znajdują się w środku protonu.

 

K.G.: Czyli sam proton nie jest punktowy, ale to, co go tworzy, jest punktowe?

 

M.Ż.: Proton nie jest cząstką elementarną, jak dowiedzieliśmy się z takich rozpraszań. Jest cząstką złożoną, ma jakiś rozkład ładunku, ma rozkład przestrzenny.

 

K.G.: Czyli jest taki bardziej chmurkowaty?

 

M.Ż.: Dokładnie. I w środku mamy cząstki, które, o ile wiemy, są elementarne. I to są właśnie kwarki, antykwarki i gluony. Ale od tego momentu, kiedy zaczęto rozpraszać proton, do momentu, w którym jesteśmy teraz, minęło oczywiście wiele lat, i wiemy coraz więcej o tym, co jest w środku protonu, o tym, jak te cząstki elementarne się w środku zachowują. I wiemy, że nie wiemy wielu rzeczy. Jesteśmy w stanie coraz dokładniej opisać to, co jest w środku w związku z tym, że równolegle do tych eksperymentów zaczęła rozwijać się cała teoria oddziaływań silnych, która opisuje, jak kwarki i gluony oddziałują ze sobą i wiążą się w protony i inne cząstki złożone.

 

K.G.: Bo właśnie oddziaływania silne – jedne z czterech podstawowych sił w przyrodzie – to są te oddziaływania, które, że tak powiem, skłaniają intensywnie kwarki, antykwarki i gluony do tego, żeby trwać ze sobą i taki proton tworzyć. Trzymajmy się już może tej metafory, że proton to jest chmurka, a w środku są np. kamyczki. Te kamyczki to są nasze cząstki elementarne. Czy one sobie trwają w tej chmurce, czy migotają, czy tańczą tam pogo, szaleją? Co się dzieje wewnątrz tego protonu?

 

M.Ż.: Proton wewnątrz jest bardzo skomplikowany, ale jedna rzecz, którą na pewno trzeba powiedzieć, to to, że to, jak go widzimy, zależy od tego, jak głęboko na niego patrzymy. To znaczy, jak energetyczną próbką jesteśmy w stanie go badać. Bo jeżeli patrzymy na proton z dystansu, to tak naprawdę, jeżeli rozpraszamy na nim np. niskoenergetyczne protony, to jesteśmy w stanie go opisać za pomocą jakiegoś rozkładu ładunku nawet punktowego obiektu, bo nie wbijamy się do środka tego protonu i nie obchodzi nas, co tam jest. Patrzymy na niego jako na całość. 

 

K.G.: Czyli tak jakby bardziej tym elektronem muskamy ten proton, jakbyśmy go dookoła opukiwali młoteczkiem, a jeśli weźmiemy taki superenergetyczny elektron, to rąbniemy w ten proton i on się wtedy rozpadnie, tak?

 

M.Ż.: Dokładnie. Jak patrzymy np. na jakiś punkt z samolotu, który jest bardzo daleko, to wydaje nam on się punktowy. Ale jeżeli się do niego zbliżymy, to widzimy już wszystko. Więc to zależy, z jakiego dystansu patrzymy. Jeżeli chodzi o to, co jest w środku protonu, to zacznę od tego, jak my to teraz rozumiemy. Proton jest niesamowicie interesujący. Proton, neutron, jakikolwiek związany stan kwarków i gluonów. Często w szkole uczymy się, że proton ma w sobie trzy kwarki. Może słyszeliśmy, że mamy dwa górne kwarki, jeden dolny kwark i one tworzą proton. To jest też pewien obraz tego protonu, jeżeli patrzymy na niego w odpowiedniej skali energetycznej. To znaczy, jeżeli próbkujemy go jakąś sondą, która ma określoną energię, to jeśli ta energia nie będzie zbyt wysoka, to tak naprawdę ta nasza rozdzielczość będzie na tyle dobra, że będziemy widzieć te trzy kwarki. No i ten obraz działa. Przez długi czas naukowcy używali tych kwarków jako takiej encyklopedii albo klocków Lego – budujemy i obserwujemy różne cząstki, opisujemy je na poziomie tych kwarków i te kwarki definiują, jak cząstki się zachowują, jakie są ich własności itd. Natomiast, jeżeli zaczniemy patrzeć bardzo głęboko w proton, to zauważymy, że dodatkowo do kwarków są tam też antykwarki. Naukowcy zaczęli się zastanawiać, dlaczego one tam są, co robią. Powinniśmy mieć tylko trzy kwarki i nic więcej. Antykwarki to są odpowiedniki kwarków w antymaterii. Jeżeli mamy kwark i antykwark i one się ze sobą zderzą, to zanihilują.

 

K.G.: No właśnie, to skoro są obok siebie, to dlaczego proton w ogóle istnieje?

 

M.Ż.: Bardzo dobre pytanie. Dzieje się tak, że te pary kwark i antykwark są w stanie powstać wewnątrz protonu na bardzo króciutką chwilę. To jest dozwolone w fizyce. To jest bardzo dziwne, może trochę nieintuicyjne zjawisko. Są tam jakieś gluony, które wiążą te kwarki, ale jeżeli wchodzimy coraz głębiej, to widzimy, że zachodzą różne reakcje, np. taki kwark może wypromieniować gluon. To się może stać. On będzie tracił jakąś część swojego pędu i może wypromieniować gluon. No i ten gluon może się rozdzielić na taką parę kwark-antykwark. Ona powstaje bardzo krótko w protonie i zaraz po tym, jak powstanie, kwark i antykwark się łączą, anihilują i tej pary już nie mamy. 

 

K.G.: Gluonu też nie?

 

M.Ż.: One mogą się połączyć i dalej wypromieniować gluon z tej energii, która powstała. Jedna taka cząstka elementarna może wypromieniować albo może zajść jakaś reakcja, że ona zmienia się w trakcie tej reakcji w inną cząstkę. To się może wydawać okej, a okazuje się, że tak naprawdę wnętrze protonu jest niesamowicie energetyczne. My sobie czasami myślimy o tym protonie albo o strukturze materii jako o czymś nudnym albo…

 

K.G.: Bo on jest właśnie taki stateczny. Zaczęłam od tego modelu, żeby właśnie zwrócić uwagę na to, jak my sobie to wyobrażamy – że w środku statecznie, jest jądro, majestatycznie sobie trwa, a już nauczyliśmy się, że te elektrony latają dookoła. To jądro miało być jakąś naszą skałą, opoką, a teraz słyszymy od ciebie, że nie, nie, tam się dzieją jakieś zupełnie szalone rzeczy.

 

M.Ż.: Dokładnie. Jeżeli patrzymy we wnętrze protonu i staramy się opisać, jak zachowują się te cząstki, to widzimy, że to wszystko jest niesamowicie dynamiczne. To nie tylko to, że mamy trzy kwarki, te pary kwark-antykwark, gluony i wszystkie reakcje, które tam zachodzą. Ale to wszystko porusza się prawie z prędkością światła, jest niesamowicie dynamiczne. Wydaje się to trochę nieintuicyjne.

 

K.G.: Ale jak to się przemieszcza z prędkością światła na takich małych przestrzeniach?

 

M.Ż.: To, co jest niesamowite w tym wszystkim, to to, jak ta teoria oddziaływań silnych, która nazywa się chromodynamika kwantowa, pięknie opisuje to wszystko, wyjaśnia. Te takie oddziaływania pomiędzy kwarkami i gluonami, czyli oddziaływania silne, można wytłumaczyć jako oddziaływania na gumce recepturce. Bo jeżeli w codziennym świecie popatrzymy sobie na jakieś oddziaływania, np. pomiędzy dwoma magnesami, to mamy intuicję, że jeżeli te magnesy daleko od siebie oddzielimy, to to oddziaływanie będzie słabsze, np. te magnesy się nie będą przyciągały. Natomiast oddziaływanie silne jest o tyle może dziwne, inne, jak np. oddziaływanie elektromagnetyczne, że jego siła rośnie z odległością. Jak mamy dość silną gumkę recepturkę i staramy się ją ciągnąć, to im bardziej ją ciągniemy, tym ciężej nam to zrobić. Ona chce wrócić do siebie. I dokładnie to dzieje się z kwarkami. Cała ta sytuacja, właściwość oddziaływań silnych jest związana z tym, że gluony to są takie cząstki, które pośredniczą, zlepiają ze sobą te kwarki. I one same w sobie też mają silny ładunek, czyli kwarki, które pośredniczą w tych oddziaływaniach. Staramy się oddzielić te kwarki od siebie, ale jest nam coraz ciężej. Te oddziaływania są niesamowicie silne. Im bardziej je ciągniemy od siebie, tym ciężej nam to zrobić. Więc jeżeli patrzymy np. na proton, to możemy sobie wyobrazić… Zastanawiamy się, dlaczego to wszystko jest w środku takie bardzo energetyczne, dlaczego się nie rozpada? Bo jeżeli byśmy chcieli rozciągnąć, wyrzucić kwark z tego protonu, to on chce wrócić do środka.

 

K.G.: No ale jeśli się bardzo, bardzo uprę z gumką recepturką, to w końcu ją rozerwę. Czy w przypadku oddziaływania silnego też tak może być? No bo gdyby to działało na niezależnie jak duże odległości, to kwarki, które budują mnie, byłyby w silnej interakcji z kwarkami, które budują ciebie. Chyba spowodowałoby to jednak pewien bałagan we Wszechświecie.

 

M.Ż.: Bardzo dobre pytanie. Oczywiście. I tutaj właśnie mamy kolejną analogię – jeżeli ciągniemy te kwarki od siebie, to to oddziaływanie robi się tak niesamowicie silne, że balans energetyczny, który się wytwarza… To znaczy, mamy tyle energii w tym oddziaływaniu, że bardziej opłacalne energetycznie jest wyprodukowanie nowej pary kwark-antykwark niż ciągnięcie dalej tego kwarku spoza protonu. Może się to wydawać trochę dziwne – co ma wspólnego kwark-antykwark z energią? Pewnie wiele osób pamięta takie równanie, że E=MC2, czyli, że energia jest ekwiwalentna masie. Jeżeli mamy wystarczająco dużo energii, to jesteśmy w stanie wyprodukować cząstkę o jakiejś określonej masie. I okazuje się, że to oddziaływanie ma tyle energii, że jeżeli byśmy  naprawdę chcieli wyrwać ten kwark, to jest to energetycznie nieopłacalne. Jest bardziej opłacalne energetycznie i bardziej prawdopodobne, że nam się wyprodukuje nowa para kwark-antykwark. Dlatego też w świecie dookoła nas nie widzimy wolnych kwarków, tylko one są zawsze złączone albo w pary, albo w trzy kwarki, albo więcej, jakikolwiek obiekt, który jest neutralny. Można sobie to wyobrazić – jeżeli mamy pozytywnie i negatywnie naładowane cząstki, jeżeli one się połączą… Albo np. atom jest neutralny, bo mamy tam negatywnie naelektryzowane elektrony i pozytywnie naelektryzowane protony. Oczywiście silne oddziaływanie ma więcej rodzajów ładunków, nie tylko dwa, więc ten opis robi się trochę bardziej skomplikowany, ale w sumie można sobie to wyobrazić w ten sposób, że wszystkie silnie połączone obiekty, które widzimy, są neutralne. Więc nie możemy wyrwać tego kwarku. Staramy się go wyciągnąć, ale jest to bardzo trudne. Jeżeli mamy bardzo małe odległości albo bardzo duże energie, tak jak w protonie, bo tam kwarki i gluony są ze sobą bardzo blisko, to wyobraźmy sobie, że bierzemy i łączymy ze sobą tę gumkę na tyle, że jest ona luźna. I już te kwarki i gluony mogą się bardzo prosto ze sobą poruszać, nic ich tam nie wiąże. Mamy jakieś wiązanie pomiędzy nimi, ale ono jest na tyle luźne, że one mogą spokojnie i normalnie się w środku…

 

K.G.: Czyli one podrygują w środku tej gumki recepturki?

 

M.Ż.: Dokładnie, mogą się poruszać. Chcemy je wyrwać? Nie damy rady, bo ta gumka dalej ciągnie w drugą stronę. Jeżeli są blisko, to mogą się wolno poruszać. I ta własność oddziaływań silnych nazywa się asymptotyczną swobodą, bo tak naprawdę asymptotycznie, czyli w jakiejś granicy do bardzo małych odległości albo bardzo dużych energii te kwarki są swobodne, ale tak naprawdę one są cały czas ze sobą związane. To jest oczywiście analogia, można tam dużo do tego wszystkiego dodać, ale to jest też podstawa wszystkich eksperymentów w fizyce wysokich energii, że uderzamy protony ze sobą albo elektron i proton z bardzo wysoką energią. One są w bardzo bliskim dystansie pomiędzy sobą i możemy je teoretycznie opisać, jakby te cząstki były swobodne. I ta teoria działa, i jest dobrze opisywana sytuacja, kiedy te cząstki są swobodne. Jeżeli to wszystko jest związane, to jest dużo trudniej i jest tam dużo niewiadomych.

 

K.G.: Fascynujące. Jak opowiadasz, to jestem przekonana, że łapiemy te analogie, a za chwilę przypominam sobie, że to wszystko się dzieje niemalże z prędkością światła na jakiejś supermaleńkiej przestrzeni. I wtedy mi się to w głowie sypie, ponieważ nie jestem sobie w stanie tego wyobrazić, bo tam jest nieustanny chaos, którego moje oko by nie objęło. Nawet jakby zrobić wielkie powiększenie tego, co się dzieje w tym protonie, to i tak nie ogarnę, co tam się dzieje, ponieważ to wszystko tak pędzi. Skąd wy wiecie, co się dzieje w środku tego protonu? To jest wielka rzecz. Jak wiecie, drodzy słuchacze, fizycy dzielą się generalnie na dwa podstawowe gatunki. Jeden to fizycy teoretycy, a drudzy to doświadczalnicy. Niektórzy łączą te rzeczy, ale raczej roboty jest na tyle dużo, że trzeba się nią podzielić. Maria zajmuje się doświadczeniami. Rozumiem, że w pewnym sensie, żeby się dobrać do tego, co jest wewnątrz protonu, musicie niejako cofnąć czas. Czyli odtworzyć warunki świata sprzed istnienia protonów. Tylko jak to można uczynić naszymi skromnymi, ludzkimi rękami?

 

M.Ż.: Żeby badać wewnętrzną strukturę protonu albo generalnie oddziaływanie cząstek elementarnych, fizycy cząstek elementarnych i fizycy jądrowi – ja jestem pomiędzy tą klasyfikacją – rzeczywiście w pewien sposób odwzorowują warunki, które były zaraz po Wielkim Wybuchu. Można sobie to tak wyobrazić. Staramy się odwzorować takie warunki, w których np. kwarki i gluony swobodnie poruszają się w jakiejś przestrzeni, i taką materię, gdzie kwarki i gluony nie są związane przez krótki okres, bo jest tam tak ciepło. Mówiliśmy o wysokich temperaturach i dużych energiach. Taka materia nazywa się plazmą kwarkowo-gluonową i np. w eksperymencie Star albo Phoenix, ale też w niektórych eksperymentach w LHC zderza się jądra atomowe, np. złota albo ołowiu, które są same w sobie dość duże, bo mają dużo protonów i neutronów w środku. Jeżeli zderzymy je z wysoką energią, to przez pewien krótki okres może powstać ta plazma kwarkowo-gluonowa. Moi koledzy i koleżanki z pracy zderzają ciężkie jądra atomowe. Ja zderzam protony, bo jestem zainteresowana tym, co w nich w środku jest. I tak jak wspominałam, ten proton czy właściwie jakąkolwiek złożoną cząstkę jesteśmy w stanie badać z rozpraszania tych elektronów, czyli możemy zderzać elektrony albo miony… Miony to są większe i cięższe kuzynki elektronów. 

 

K.G.: Są ostatnio słynne, ponieważ były wyniki eksperymentu z Fermilabu, który, jak ogłoszono, ma zmienić naszą fizykę. Zapytam cię jeszcze o te sprawy na koniec.

 

M.Ż.: Dobrze. Jeżeli chodzi o te eksperymenty, to możemy rozpraszać miony, zderzać je z protonami albo zderzać inne cząstki. Ja zderzam protony z protonami.

 

K.G.: A jak mówisz o dużych energiach, to są to takie energie, że rozpędzacie je niemalże do prędkości światła?

 

M.Ż.: Tak. Jak jesteśmy blisko tej prędkości światła, to trochę nam to warunkuje to, jak głęboko jesteśmy w stanie zobaczyć wewnątrz protonu, jak dobrą rozdzielczość mamy. 

 

K.G.: Jak silnie walniecie młotkiem?

 

M.Ż.: Dokładnie. Ale też zależy to od tego, które cząstki elementarne wewnątrz protonu będą ze sobą oddziaływały w pierwszej kolejności, bo to też zależy od energii. Czyli np. jak zderzamy sobie ten proton z protonem, to jesteśmy w stanie przy wysokich energiach zaobserwować bezpośrednie oddziaływanie np. kwarku z gluonem albo gluonu z gluonem, albo kwarku z kwarkiem. Natomiast ja jestem najbardziej zainteresowana tymi gluonami, ponieważ o nich wiemy najmniej dlatego, że jeżeli rozpraszamy sobie np. elektrony na protonach, czyli te czterdzieści czy pięćdziesiąt lat badań nad rozpraszaniem, to one tak naprawdę będą najbardziej wrażliwe na oddziaływania z ładunkiem elektromagnetycznym, ponieważ elektrony nie niosą żadnego ładunku kolorowego, nie oddziałują silnie, więc będą nam próbkować te cząstki elementarne wewnątrz protonu, które mają ładunek elektryczny. Natomiast, jeżeli zderzamy sobie proton z protonem i chcemy popatrzeć na gluony, które niosą to oddziaływanie silne i nie mają ładunku elektrycznego, to najlepiej zderzać proton z protonem, bo wtedy mamy możliwość bycia bardzo wrażliwym na te oddziaływania. I to jest to, co robimy w oddziaływaniu proton-proton, natomiast nie jest powiedziane, że możemy to robić tylko w ten sposób. Z takich rozpraszań elektronu też możemy to wywnioskować, tylko po prostu mamy inną wrażliwość na te oddziaływania. Ja rozpraszam protony na protonach i staram się patrzeć na to, jak gluony zachowują się w środku, a tak dokładniej staram się patrzeć, jak gluony dokładają się do ogólnego spinu protonu. Więc mówimy tu o trochę innych właściwościach. 

 

K.G.: O spin też chciałam cię zapytać i chciałabym też, żebyś wylistowała nam te pytania, które sobie zadajesz jako badaczka. Tak konkretnie, bo nauka teraz to już nie jest to, że człowiek sobie siada pod drzewem i rozważa naturę wszechrzeczy, tylko są takie mikropytania, które zadają sobie naukowcy, i to się dopiero potem składa na jakiś większy obraz. Więc jakie są te twoje mikro, ale bardzo ważne pytania?

 

M.Ż.: Moje najważniejsze pytanie to: jak wygląda proton w środku, jeżeli chodzi o jego strukturę spinową? Chodzi w tym o to, że przez wiele lat badaliśmy, jak proton wygląda w środku, jeżeli chodzi o rozkład, prawdopodobieństwo znalezienia tam w środku kwarku albo gluonu, który niesie jakąś część ogólnego pędu tego protonu, kiedy go zderzamy. Oczywiście to wszystko łączymy z opisem na podstawie oddziaływań silnych, tej chromodynamiki kwantowej. Ale jeżeli pójdziemy krok dalej i zaczniemy pytać: okej, mamy ogólny rozkład kwarków i gluonów wewnątrz protonu, ale co się dzieje ze spinem protonu? Wiemy, że spin jest dobrze określony i jest to jedna druga. Zastanawiamy się, jak te własności protonu powstają albo dzielą się, albo są związane z tą niesamowicie dynamiczną i skomplikowaną wewnętrzną strukturą. Bo wiemy, że proton sam w sobie ma jakiś spin, ale wiemy, że on nie jest cząstką elementarną, tylko ma mnóstwo rzeczy poruszających się w środku. I pytanie dlaczego, jak, jak to się wszystko składa? 

 

K.G.: Każda z tych cząstek elementarnych ma swój spin i jednocześnie proton, który składa się z cząstek elementarnych, ma swój własny?

 

M.Ż.: Dokładnie.

 

K.G.: Czy możesz wyjaśnić, czym jest ten spin? Bo to jest rzecz, która wydaje mi się szalenie trudna do wyjaśnienia. Słyszałam już o bączkach, o tym, że to są piruety, że kręcenie się. I to wszystko jest okej, dopóki nie usłyszymy nagle, że coś ma spin pół. Co to znaczy „pół”?

 

M.Ż.: Jeżeli chodzi o wyjaśnienie spinu, to nie wiem, czy kiedykolwiek słyszałam całkowicie dobre. [śmiech] Ale wydaje mi się, że zawsze można sobie wyobrazić jakąś analogię. Generalnie jest nam prościej mówić o masie czy ładunku, ponieważ są to wielkości, które znamy troszeczkę lepiej z życia codziennego, a spin cząstki, który jest tak podstawową wielkością… To jest jakaś wielkość opisująca cząstkę, tak jak np. masa albo ładunek. Jest związany bardziej z magnetycznymi właściwościami cząstki. Wydaje mi się, że dlatego jest to tak mało zrozumiałe, bo może po prostu wiele osób nie pamięta, że np. kręcący się ładunek produkuje pole magnetyczne. Gdzieś to pewnie było w liceum, ale na co dzień o tym nie myślimy i się z tym nie spotykamy, więc może dlatego wiele osób po prostu nie widzi jakiegoś odpowiednika w życiu codziennym na temat spinu. Nie mówię, że to jest absolutnie świetna analogia, bo w świecie kwantowym wszystko jest dziwne i nieintuicyjne, natomiast jak myślimy o masie, to możemy też myśleć o takiej masie makroskopowej, że mamy jakąś masę, mamy jakieś dwa ciała oddziałujące ze sobą, dwie planety. 

 

K.G.: Tak, jakoś łatwiej to przełożyć.

 

M.Ż.: Dokładnie. Albo np. mamy ładunek – no to jesteśmy sobie w stanie wyobrazić np. prąd, który gdzieś płynie, i mamy jakieś ładunki, jakoś jest to bardziej intuicyjne. Natomiast takie właściwości magnetyczne związane z momentem pędu, czyli z czymś, co się kręci, czymś, co w klasycznym wyobrażeniu by się kręciło i miało ładunek, będą powodowały, że powstaje pole magnetyczne. Wydaje mi się, że to jest trochę związane z tym, że mamy mało takich makroskopowych odpowiedników co do tego. Ale jeżeli miałabym opisać spin, to powiedziałabym, że jest to bardzo podstawowa wielkość, taka jak masa albo ładunek, którą ma każda elementarna cząstka. Spin może być też kwantowo zero, natomiast jest to określona wartość dla spinu. I tu wchodzi to, że spin jest wielkością kwantową. To znaczy, jest on związany z magnetycznymi właściwościami. Jeżeli byśmy cząstkę ze spinem włożyli w pole magnetyczne, to ona będzie się zachowywała jak taki mały magnes. Ale ten magnes nie będzie klasyczny. Ona się będzie odchylała w tym polu magnetycznym albo poruszała w pewien specyficzny sposób, natomiast ten magnes nie będzie klasyczny, ale będzie skwantowany. I tutaj nam wchodzi cała historia na temat tego, że ten spin, jeżeli go mierzymy w określonym kierunku, to będzie się zachowywał kwantowo. To znaczy, on będzie albo skierowany w górę – możemy sobie wyobrazić, że on się obraca w jednym kierunku – albo skierowany w dół z konkretnym prawdopodobieństwem. Natomiast on nie będzie mógł się obracać w dowolnym kierunku. Ta oś obrotu nie będzie mogła być w dowolnym kierunku, jakby to było klasycznie. Możemy sobie to wyobrazić jako taki kręcący się ładunek, natomiast jak sobie to wszystko policzymy, to okazuje się, że to kręcenie, ten moment pędu musiałby być bardzo, bardzo szybki, szybszy niż prędkość światła. W związku z tym tak naprawdę ta cząstka się nie kręci. Ona tylko ma taką własność, że gdy ją włożymy w pole magnetyczne, to będzie się zachowywała, jakby się kręciła, ale tak naprawdę ona się nie kręci. Wydaje mi się, że tutaj jest dużo takich niedomówień i może ciężko to sobie wyobrazić.

 

K.G.: Myślę, że jest to taki moment, w którym chyba trzeba odpuścić. To znaczy, nie wszystko, co kwantowe, da się przełożyć językowo na świat klasyczny czy makroskopowy i chyba ze spinem właśnie tak jest. Łatwiej nam po prostu przyjąć do wiadomości, że cząstki mają szereg własności, mają masę albo i nie, ale można ją opisać, i mają np. jakiś spin. I koniec, i nie próbujmy tego przekładać na naszą codzienność, bo to chyba nie działa. Naprawdę, szukałam tylu sposobów na tłumaczenie tego i z tym spinem naprawdę jest chyba najciężej. Już ten półżywy kot Schrödingera jest łatwiejszy do zrozumienia. [śmiech]

 

M.Ż.: Wydaje mi się, że po prostu warto pamiętać, że jest to związane z jakimiś własnościami magnetycznymi. To znaczy, jeżeli włożymy cząstkę ze spinem w pole magnetyczne, to ona będzie miała jakiś moment magnetyczny. Tutaj właśnie wchodzą te wszystkie bączki, poruszanie się itd. Czyli jest to jakaś własność, która manifestuje się w taki, a nie inny sposób. Spin jest taką wielkością, która jest bardzo fundamentalna w naszym całym świecie. Ona tak naprawdę odpowiada za to, że ta materia, z której się składamy i którą się otaczamy, jest uporządkowana w taki, a nie inny sposób. Mamy cząstki, które nazywamy fermionami, i one mają taki spin, który jest połówkowy. I mamy takie cząstki, które nazywamy bozonami, które mają spin całkowity. W zależności od tego, jaka ta cząstka jest, będzie zachowywała się w inny sposób i będzie porządkowała materię w jakiś określony sposób. Możemy sobie to tak wyobrazić. Pewnie z lekcji chemii pamiętamy, że jeżeli mamy dwa elektrony na tej samej powłoce, to mogą być np. tylko dwa na pierwszej powłoce, bo jeden musi mieć spin do góry, a drugi na dół itd. Mamy pewne zasady, które mówią, że np. dwie cząstki, które byłyby dokładnie takie same, nie mogą znajdować się w tym samym stanie energetycznym albo na tej samej powłoce. W związku z tym ten spin porządkuje w pewnym stopniu tę materię i możemy powiedzieć, że np. jedna cząstka musi mieć spin do góry, a druga na dół i te cząstki nie mogą być dokładnie takie same. Więc tak naprawdę to uporządkowanie elektronów w atomach i nukleonów, czyli protonów i neutronów, w jądrach atomowych zależy od spinu, od tych właściwości cząstek i tego, że fermiony zachowują się w bardzo specyficzny sposób. Więc tak naprawdę, jeżeli byśmy to tak ekstrapolowali do naszego codziennego życia, to byśmy musieli powiedzieć, że tak naprawdę spin porządkuje tę naszą materię i mówi, że jakbyśmy mieli klocki Lego, to żółty klocek nie może z żółtym być razem w tym samym miejscu, tylko musi być jakoś uporządkowany w inny sposób. Cała chemia i biologia na tym się opiera. Tak naprawdę to jest mikroskopowa wielkość, natomiast jest fundamentalna, a nie banalna. Z drugiej strony interesuje mnie to też dlatego, że fizycy starają się być coraz bliżej pełnego opisu tego, jak cząstki ze sobą oddziałują i tego, jak Wszechświat działa. I to oddziaływanie silne, które wiąże całą materię, z której wszyscy są zbudowani, chcemy mieć opisane w jak najlepszy sposób. Jesteśmy w stanie opisać tę strukturę wewnętrzną protonu do pewnego stopnia. Jeżeli włożymy tam dodatkowo spin i chcemy dowiedzieć się czegoś więcej o spinie, staje się to jeszcze bardziej skomplikowane. Jedną z największych zagadek fizyki związanej z oddziaływaniami silnymi jest to, żeby dokładnie opisać, jak te cząstki elementarne zachowują się ze sobą właśnie w takich układach związanych. Bo my jesteśmy w stanie je opisywać przy tych bardzo małych odległościach albo bardzo dużych energiach, jeżeli one są asymptotycznie swobodne, wolne, natomiast, jeżeli są związane w tym protonie i są w jakimś układzie, to jest tam jeszcze bardzo dużo niewiadomych. Ta teoria staje się bardzo skomplikowana i nie można jej policzyć w prosty sposób. Jak jeszcze do tego wszystkiego dołożymy spin, to już jest w ogóle masakra. 

 

K.G.: To powiedz, jak to wygląda. Masz badanie i będziesz miała wyniki. I co z tym zrobisz? To znaczy, sama zasiądziesz do uzupełniania teorii modelu standardowego i powiesz: „tutaj trzeba zrobić poprawkę” czy dzwonisz do kolegów, koleżanek i mówisz: „hej, mam tutaj takie wyniki razem z moją ekipą. Macie to teraz, teoretycy, zróbcie coś z tym”? Jak to wygląda tak od kuchni? 

 

M.Ż.: Jeżeli chodzi o taką pracę od kuchni, to w dzisiejszych czasach fizycy jądrowi i fizycy cząstek elementarnych pracują razem w dużych kolaboracjach. Pracują razem z grupami teoretycznymi. Te grupy teoretyczne mają opis oddziaływań silnych w dobrze znanej części, kiedy te cząstki są blisko siebie przy dużych energiach, i mają jeszcze jakieś inne obliczenia, które uzupełnia się o pomiary, które zrobił jakiś inny eksperyment, albo jesteśmy w stanie wydedukować np. rozkład kwarków w protonie właśnie z tych rozpraszań elektronów. Ja coś mierzę w moim eksperymencie i to, co dostarczam, to są m.in. prawdopodobieństwa zaobserwowania danej reakcji, np. jeżeli zderzam dwa protony ze sobą, to staram się patrzeć, jak prawdopodobne jest to, że taka struga, taki dżet cząstek uciekł nam z tej interakcji, został wyprodukowany w jednym kierunku albo dwa dżety odwrócone do siebie. Albo staram się patrzeć, jak ta liczba dżetów, którą obserwuję, zmienia się, jeżeli zmienię spin np. protonu, który zderzam ze sobą.

 

K.G.: I możesz kontrolować te protony? 

 

M.Ż.: Tak.

 

K.G.: Muszę jeszcze wypytać, jak to się konkretnie dzieje. Ale dobra, masz te wyniki, i co dalej?

 

M.Ż.: Jedna grupa teoretyczna dostarcza obliczenia w tym reżimie tzw. perturbacyjnym, czyli takim, w którym jesteśmy w stanie policzyć jakieś rzeczy. My jako eksperymentaliści dostarczamy tych tzw. przekrojów czynnych, czyli prawdopodobieństw. Inni teoretycy robią np. tzw. globalne dopasowanie, globalny fit, czyli zbierają wszystkie dane ze wszystkich pomiarów, które były do tej pory, i biorą tę część policzoną przez teoretyków oraz te nowe pomiary. Wkładają to wszystko w globalną analizę wszystkich danych i są z tego w stanie wywnioskować, jaki mamy np. rozkład gluonów w środku protonu albo do jakiego stopnia gluony dzielą spin z protonem. To jest tak naprawdę praca wielu ludzi. Ja mówię tylko o eksperymentalistach i teoretykach, a jeszcze po stronie eksperymentalnej jest mnóstwo, mnóstwo ludzi, którzy pracują na to, żeby działał akcelerator, detektor, żebyśmy mogli zebrać dane. 

 

K.G.: Żeby kabelki były podociskane, bo wiemy, że niepodociskane kabelki czasami bywają przyczyną dość spektakularnych porażek. Ale powiedz, czy to nie jest czasami frustrujące? Słyszałam takie opinie, że już nikt nie zostanie nowym Einsteinem, Newtonem, Skłodowską-Curie, bo ta rzecz jest już z natury tak skomplikowana, że potrzeba was tak wielu do tego, żeby nad tym pracować, że mamy artykuły naukowe, w których jest dziesięć nazwisk, a reszta to „inni, pozostali”. I w tym mieszczą się setki osób, które spędzają długie godziny, siedząc w tych laboratoriach, jedzą niezdrową pizzę, wypijają hektolitry niezdrowych energy drinków po to, żeby coś tam policzyć, a potem są „innymi”. Jak to jest?

 

M.Ż.: To bardzo zależy od dyscypliny. I w fizyce jądrowej, i w fizyce cząstek elementarnych mamy mnóstwo ludzi, którzy ze sobą współpracują. Te publikacje to są czasami cztery strony wyników i cztery strony autorów. Czy to jest frustrujące? Dla mnie absolutnie nie. Ja działam w ten sposób, że pracuję najlepiej we współpracy z innymi osobami i uważam, że tak naprawdę najlepsze pomysły, jakie miałam, i najlepsza praca, jaką zrobiłam, była zawsze, kiedy pracowałam z innymi ludźmi i kiedy byłam w stanie im pomóc, a oni mnie. Jakoś te swoje doświadczenia i ekspercką wiedzę byliśmy w stanie wymienić i pracować razem z różnych perspektyw nad jakimś konkretnym problemem.

 

K.G.: Czyli nie masz w sobie takich romantycznych tęsknot, że siedzisz zamknięta w wieży i odkrywasz w swojej głowie naturę wszechrzeczy, zapisujesz księgi i wysyłasz to w świat.

 

M.Ż.: Jedyną romantyczną jednostką w mojej głowie jest to, że czasami muszę sobie zabookować w kalendarzu dwie godziny na myślenie, bo mam tyle spotkań z moimi współpracownikami, więc dobrze jest mieć jakiś czas, żeby pomyśleć i popracować. I taki czas jest bardzo istotny dla każdego naukowca, natomiast coś w tym jest, że są tacy ludzi, którzy bardziej lubią pracować w zamknięciu, myśleć, produkować dużo rzeczy i potem dzielić się efektem tego, co zrobili. Ja do takich osób nie należę. Lubię mieć czas na swoje rzeczy i swoje myślenie, ale potem się tym dzielić i jakoś pracować razem. I chyba nie mam jakiejś takiej tęsknoty. Ten czas od marca zeszłego roku, kiedy muszę pracować ze swojej kuchni i łączyć się od czasu do czasu z moją grupą, jest czasem ciężki. 

 

K.G.: Jak wyglądają wasze zoomy? Jest tysiąc pięćset osób na takim Zoomie? [śmiech]

 

M.Ż.: W ogóle temat tego, jak wygląda podział pracy w dużych kolaboracjach, to jest superciekawe, jak zarządzanie ogromnym projektem. Duże kolaboracje mają dużo ciekawych rozwiązań. My spotykaliśmy się na Zoomie, jeszcze zanim było to modne. [śmiech]

 

K.G.: Tak to jest, naukowcy znają te wszystkie technologie. [śmiech] Chciałabym zapytać, co to znaczy, że zderzasz te protony? Musisz wziąć jakąś próbkę czegoś, włożyć do tego akceleratora, wcisnąć jakiś guzik? Co to rozpędza? Gdzie ty to widzisz? Na ekranie monitora? Czy dostajesz jakiś rodzaj filmiku, czy twoje wyniki to jest masa liczb? Jak to wygląda czysto fizycznie? Idziesz do pracy i jak zderzasz ze sobą te protony?

 

M.Ż.: Jak już powiedziałam, nie robię tego tylko ja, tylko pomaga nam wielu ludzi, którzy są specjalistami w różnych dziedzinach. Są np. fizykami zajmującymi się akceleratorami cząstek. Mamy też fizyków, którzy specjalizują się w odpowiednich częściach naszego detektora albo którzy zajmują się obliczeniami i zarządzaniem całym kodem, programami, których używamy do tego, żeby zanalizować te dane. No i jak mówimy, że zderzamy te cząstki, to jest to grupa ludzi, którzy dostarczają nam całą wiązkę protonów. To nie jest jeden proton, który zderzamy z drugim, to jest cała wiązka. Żeby ją uzyskać, potrzebny jest szereg mniejszych i większych akceleratorów, które nam tę cząstkę coraz bardziej rozpędzają, i muszą nam skolimować tę wiązkę, ścisnąć ją. Im więcej mamy tych cząstek w ściśniętej cząstce, tym możemy mieć więcej interakcji pomiędzy tymi protonami.

 

K.G.: I one oczywiście wszystkie są kółeczkami, obwarzankami? Bo jakby były linią prostą, to byśmy musieli to zbudować nie wiadomo, jak duże, tak? Czyli są coraz większe te kółeczka, te akceleratory?

 

M.Ż.: Mamy też akceleratory liniowe, ale one nie mogą rozpędzić cząstek do tak wysokich energii, jakich potrzebujemy, więc rozpędzamy je w polu elektrycznym, ale mamy też pole magnetyczne, które zakrzywia tę cząstkę. W związku z tym możemy to mieć zamknięte w takim zderzaczu, który wygląda jak obwarzanek. Te cząstki najpierw są rozpędzone do jakichś konkretnych energii przez tę całą serię przyspieszaczy i potem są wrzucone do tego głównego akceleratora, i tam fruwają sobie dookoła. Są jeszcze dobrze skolimowane, ściśnięte. W odpowiednich miejscach tego zderzacza mamy nasze detektory i te wiązki z poszczególnych rurek na wiązki się zderzają. To znaczy, mamy przecięcie tych wiązek i one się tam zderzają, i dookoła tego punktu, w którym się zderzają, budujemy detektory, które wyglądają jak cebula, ponieważ mają warstwy. W tych detektorach, które są zbudowane naokoło i które są ogromne – naprawdę kilka pięter budynku by się zmieściło w środku takiego detektora.

 

K.G.: Tak, to jest zupełnie niezwykłe, że coś takiego jest potrzebne do zmierzenia tego, co się dzieje w cząstkach, które są tak małe, że nie do zobaczenia przez nas.

 

M.Ż.: Dokładnie. No i w tych detektorach odczytujemy sobie energię, kąty i pędy tych cząstek, czyli takie wielkości, które jesteśmy w stanie zmierzyć, ale odczytujemy bardzo pokrótce, bo oczywiście w tych detektorach zachodzą różne zjawiska fizyczne, dzięki którym jesteśmy w stanie wydedukować, jaka jest np. energia tych cząstek.

 

K.G.: Czyli to wszystko jest trochę pośrednio, nie macie tam w środku kamerki.

 

M.Ż.: Nie. Wszystko, na co patrzymy, to jest pośrednie oddziaływanie tych cząstek. I tak naprawdę to, co zbieramy, to to, co nam ta interakcja wyrzuci do detektora. My staramy się to jak najdokładniej zebrać, opisać, zmierzyć energię, zmierzyć kąty, pod jakimi to wszystko wyleciało do naszego detektora, zrekonstruować jakieś obiekty np. te dżety, czyli strumienie cząstek. Na podstawie tego jesteśmy w stanie wydedukować, co zaszło, jaka zaszła reakcja pomiędzy np. kwarkami i gluonami, a potem opisać to w jakiś sposób statystyczny. To znaczy, powiedzieć, że jakieś prawdopodobieństwo zaobserwowania takiej reakcji jest takie i takie i to jest nasz wynik takich pomiarów. Było jeszcze pytanie o to, czy to są jakieś zdjęcia z kamerki itd. – generalnie my patrzymy na liczby, które zapisujemy na komputerze. Potrzebujemy oczywiście mnóstwo miejsca na te wszystkie dane, żeby je wszystkie pozbierać. Są to odczyty z elektroniki, która znajduje się za tymi detektorami i sczytuje nam np., jaki ładunek został wysłany do naszego detektora z danej cząstki. I to wszystko potem musimy wziąć, skalibrować, zabrać ze sobą, stwierdzić, że liczba pięć w tym detektorze oznacza, że mieliśmy taką, a nie inną energię i potem to wszystko razem zrekonstruować, i robić fizykę. Trochę to trwa. [śmiech]

 

K.G.: Jestem bardzo ciekawa twojej opinii na temat tego eksperymentu miony G minus dwa. Nawet jeśli państwo nie interesują się fizyką cząstek elementarnych, to było na dużych portalach, że nowa fizyka, że złamanie praw fizyki – tak było to komunikowane również przez sam Fermilab. Chodziło o to, że wspomniane tu miony wedle wyniku tego eksperymentu zachowywały się trochę inaczej, niż by się tego spodziewano wedle modelu standardowego, czyli właśnie tej teorii, która opisuje cząstki elementarne. Z twojej perspektywy to jest tak, że faktycznie jest to jakiś boom, coś nowego i będziemy teraz rozwalać model standardowy czy jest w tym troszeczkę PR-u, żeby zwrócić na siebie uwagę, bo takie mamy czasy?

 

M.Ż.: Jeżeli chodzi o ten PR, to nie wiem, czy jest to do końca zła rzecz. Wydaje mi się, że popularyzacja nauki jest czymś dobrym i jeżeli rozmawiam z osobą na ulicy i ona mówi, że słyszała o G minus dwa, to jest to dobry kierunek. Ja to rozumiem w pewnym stopniu, myślę, że jest to naprawdę potrzebne. Jeżeli w jakimkolwiek stopniu jesteśmy w stanie zainteresować społeczeństwo badaniami podstawowymi i nie tylko, to jest to dobry kierunek. Jeżeli chodzi o nową fizykę, to oczywiście jesteśmy w stanie opisać te wyniki w sposób statystyczny i mówimy, że nasz eksperyment i wartość tego G minus dwa, którą zmierzyliśmy w Fermilabie, różni się od przewidywań teoretycznych, które bazują na modelu standardowym w jakiś określony sposób. I one są dość daleko od tych przewidywań teoretycznych, natomiast jest tutaj dużo pytań. Przede wszystkim o to, czy te przewidywania teoretyczne mają wszystkie dokładne poprawki uwzględnione w sobie. To znaczy, na ile jesteśmy w stanie powiedzieć, że rzeczywiście te obliczenia są może nie tyle poprawne, ale na tyle, na ile mają np. dobrze określoną niepewność. Czy jesteśmy w stanie powiedzieć, że te wszystkie poprawki, które tam powinny być policzone, są na pewno dobrze określone. Czy np. jesteśmy w stanie powiedzieć, że coś się tam nie zmieni. Czekamy jeszcze na kolejne wyniki z grup teoretycznych. Te obliczenia są niesamowicie trudne i wiele rzeczy w tych teoretycznych przewidywaniach nie może być policzone z takich pierwszych zasad, tylko one muszą być włożone do tych obliczeń z jakiegoś eksperymentu, więc oczywiście mamy dodatkową niepewność wynikającą z tych eksperymentów.

 

K.G.: Trochę jak głuchy telefon. 

 

M.Ż.: Tak. Ale pokazuje to właśnie, że takie eksperymenty precyzyjne, zwłaszcza jeżeli patrzymy na wkłady do tych obliczeń, które pochodzą z tej chromodynamiki kwantowej i stanów związanych, są bardzo trudne. I wydaje mi się, że to jest taki work in progress, że dalej nad tym wszystkim pracujemy. A to tak naprawdę były wyniki tylko z pierwszej części danych, które ma Fermilab. Na pewno będzie jeszcze dużo więcej pomiarów. Jestem przekonana, że będzie jeszcze dużo wkładów od fizyków teoretyków, więc to wszystko na pewno się jakoś potoczy. Nie wiem, czy jestem w stanie cokolwiek więcej powiedzieć. Jestem w stanie tylko opisać to, co mówi wynik. Natomiast wydaje mi się, że to, co jest na pewno ekscytujące, to to, że ten pomiar został wykonany, ponieważ pomiary tego G minus dwa dla tego momentu magnetycznego dla mionu są bardzo, bardzo trudne. I to naprawdę są pomiary dużej liczby ludzi, i naprawdę mnóstwo rzeczy może tam pójść źle. Więc to są bardzo, bardzo dokładne, precyzyjne i żmudne pomiary ze strony eksperymentalnej i trudne obliczenia ze strony teoretycznej. Więc to jest na pewno ekscytujące, że działa.

 

K.G.: A im większa precyzja jest potrzebna, tym łatwiej o jakieś omsknięcie się. Fascynująca jest to sprawa. Muszę przyznać, że też rozumiem Fermilab i to jest faktycznie fajne, że ktoś na ulicy może cię zagadać o fizykę. To jest naprawdę pozytywny efekt. 

 

M.Ż.: Zgadzam się.

 

K.G.: Doktor Maria Żurek prosto z Kalifornii dla Radia Naukowego. Bardzo dziękuję, to była wielka przyjemność i do usłyszenia.

 

M.Ż.: Dziękuję, było mi bardzo miło.