Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Deficyt antymaterii – dlaczego istnieje raczej coś niż antycoś? [E148]

Deficyt antymaterii – dlaczego istnieje raczej coś niż antycoś? [E148]

E148
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

E148
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Gość odcinka

Prof. Jan Kisiel

Prof. Jan Kisiel

Pracuje w Instytucie Fizyki na Wydziale Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Zainteresowania naukowe: doświadczalna fizyka jądrowa, fizyka cząstek elementarnych, zwłaszcza badania własności neutrin w eksperymentach z tzw. długą bazą z wykorzystaniem różnych układów detekcyjnych, pomiary charakterystyk podziemnych laboratoriów fizyki, w szczególności badania promieniotwórczości naturalnej, stanowiącej istotne tło dla eksperymentów fizycznych poszukujących rzadkich procesów.

Dlaczego istnieje raczej coś niż nic? Z takim – przyznacie, że niebanalnym – pytaniem wybrałam się do Chorzowa, do prof. Jana Kisiela, lidera zespołu badawczego „Fizyka jądrowa w badaniach oddziaływań i jej zastosowania” w Instytucie Fizyki na Wydziale Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. – Jak się domyślam, zmierzamy do pytania, dlaczego mamy materię, a niemal nie mamy antymaterii? – profesor przejrzał mnie natychmiast.

Prof. Kisiel opowiada w podcaście m.in. szczegóły techniczne niezwykłych eksperymentów Kamiokande

Istotnie, ta zagadka jest jedną z największych współczesnej fizyki. – Wydaje się, że w czasie Wielkiego Wybuchu powinny powstać równe ilości materii i antymaterii. Dlaczego stało się inaczej? – mówi prof. Kisiel.

Tu warto sięgnąć do 1967 roku, kiedy to radziecki fizyk Andriej Sacharow napisał słynną, kilkustronicową pracę, znaną dziś jako warunki Sacharowa. – Zasugerował, że to, że obserwujemy obecnie olbrzymią przewagę materii nad antymaterią, jest spowodowane tym, że w czasie Wielkiego Wybuchu musiały być spełnione trzy warunki. Łamanie symetrii ładunkowo-przestrzennej (symetrii CP), ponadto niezachowanie liczby barionowej, to znaczy, że np. powinniśmy obserwować rozpad protonu. Oraz te procesy musiałyby zachodzić w sposób nierównowagowy, bo gdyby zachodziły w sposób równowagowy, to pewnie wszystko wróciłoby do stanu równowagi – wylicza prof. Kisiel.

Fizyka interesuje szczególnie sprawa tego pierwszego warunku: łamania symetrii ładunkowo-przestrzennej. O łamanie tej symetrii podejrzewane są neutrina i antyneutrina – W kwietniu 2020 roku eksperyment T2K (Super-Kamiokande) opublikował w bardzo prestiżowym czasopiśmie „Nature” artykuł, w którym wskazaliśmy na możliwość różnic w oscylacjach neutrin i antyneutrin, wskazującą na łamanie symetrii CP – mówi prof. Kisiel. „Możliwość” jest tutaj słowem kluczowym, naukowcy chcą być bliżsi pewności. – Eksperymenty neutrinowe charakteryzują się tym, że jest obserwowanych bardzo mało przypadków oddziaływań neutrin. Dlatego trwa budowa kolejnego eksperymentu. Jest budowany nowy detektor, który będzie nazywał się Hyper-Kamiokande. Będzie on korzystał z tej samej wiązki neutrin, co detektor Super-Kamiokande, przy czym intensywność tej wiązki będzie zwiększona prawie dwa razy – wyjaśnia fizyk. Naukowiec jest zaangażowany w budowę detektora, który powstaje w Japonii.

W podcaście rozmawiamy o technicznych wyzwaniach eksperymentu (powstaje w środku góry…), o japońskiej kulturze pracy i tym, dlaczego w okolicy nie ma wielkiej tabliczki z napisem „tutaj odkrywamy tajemnice Wszechświata”.

PEŁNA TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: Radio Naukowe w podróży, tym razem w Chorzowie. Goszczę u pana profesora Jana Kisiela, lidera zespołu badawczego „Fizyka jądrowa w badaniach oddziaływań i jej zastosowania”, Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego. Dzień dobry, panie profesorze.

Jan Kisiel: Dzień dobry.

K.G.: Będziemy rozmawiać o neutrinach, o tym, jaką rolę mogą, mogły one pełnić w takim fundamentalnym zagadnieniu. Mianowicie dlaczego istnieje raczej coś niż nic? To pytanie jest znane jako pytanie Leibniza, chociaż nie tylko on je zadawał. Czy pana też to dręczyło? Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?

J.K.: Tak, chyba wszystkich nurtuje, dlaczego akurat jest tak, jak jest, a nie jest inaczej albo na odwrót. Ale jeżeli sobie zadamy pytanie, dlaczego jest tak, a nie inaczej, no to już jest trochę odpowiedzi, bo jak się domyślam, zmierzamy do pytania o materię i antymaterię. Dlaczego mamy materię, a nie mamy antymaterii? No więc jeżeli mamy materię i sami jesteśmy zbudowani z materii, to należy się zastanowić, czy w ogóle kiedyś była antymateria, a jeżeli była, to czy było jej dużo albo niedużo, albo tyle samo, co materii, a może więcej, niż materii i co się z nią stało.

K.G.: Ale w ogóle skąd ten koncept? Jesteśmy sobie z materii, a tutaj nagle o tym, że na początku była też antymateria.

J.K.: Powszechnie się uważa, że wszystko, co nas otacza, ma swój początek w Wielkim Wybuchu, który zdarzył się wiele miliardów lat temu. I Wszechświat, jaki teraz obserwujemy, jest wynikiem tego, co powstało po Wielkim Wybuchu, tego, jak ten Wszechświat się ochładzał i nadal się ochładza, i jak się rozszerzał, bo nadal się rozszerza. To rozszerzenie skutkuje tym, że Wszechświat jest właściwie pusty i zimny. Dobrze wiemy, że promieniowanie reliktowe, które zostało odkryte kilkadziesiąt lat temu, to jest bardzo zimne promieniowanie, bo średnia temperatura we Wszechświecie to są niecałe trzy stopnie Kelwina. To, co nas otacza, jest bezwzględnie zimne. To, co widzimy, to tak naprawdę jest materia, zdecydowana przewaga materii nad antymaterią. A wydaje się, że w czasie Wielkiego Wybuchu powinny powstać równe ilości. No i pytanie, dlaczego stało się inaczej? Obracamy się tutaj w kręgu różnych teorii, bo rzecz jasna, nikogo tam nie było i trudno przeprowadzić eksperyment w warunkach chociaż troszeczkę zbliżonych do tych, które były na początku Wszechświata. Te warunki zostały podane przez Sacharowa w słynnej pracy, która liczy trzy, cztery strony. On zasugerował, że to, że obserwujemy obecnie olbrzymią przewagę materii nad antymaterią, jest spowodowane tym, że w czasie Wielkiego Wybuchu musiały być spełnione trzy warunki. Łamanie symetrii ładunkowo-przestrzennej, ponadto niezachowanie liczby barionowej, to znaczy, to, że np. powinniśmy obserwować rozpad protonu, który do tej pory nie został zaobserwowany. No i te procesy musiałyby zachodzić w sposób nierównowagowy, bo gdyby zachodziły w sposób równowagowy, to pewnie wszystko wróciłoby do stanu równowagi.

K.G.: Czyli Sacharow podał te warunki, które powinny zaistnieć na początku i wyjaśniałyby nam to, że mamy dominację materii nad antymaterią, co jest nietrywialne, bo jak się spotyka cząstka i antycząstka, to one długo raczej ze sobą nie pobędą, następuje ta słynna anihilacja. Czyli jak wyglądałby Wszechświat, gdyby materia i antymateria były w dokładnie równej ilości?

J.K.: Myślę, że mogłoby być tak, jak pani powiedziała, że materia z antymaterią by anihilowały i produkowały energię. My takie procesy dobrze znamy, potrafimy je wykorzystać. Wszyscy albo większość z nas zna działanie urządzenia PET. To jest właśnie wykorzystanie anihilacji. Pozytony, które są wytwarzane przez wiązkę, a w przypadku PET-a przez podany radiofarmaceutyk, anihilują z elektronami i powstają dwa kwanty gamma, które stosunkowo łatwo można mierzyć. No i w ten sposób precyzyjnie możemy diagnozować miejsce, które jest potencjalną komórką nowotworową. Tam metabolizm jest inny niż w komórkach nienowotworowych. Dobrze to znamy. Więc uważam, że jeżeli materii byłoby tyle samo, co antymaterii, no to mielibyśmy ciągłą anihilację, powstawanie energii, a z energii mogłyby być produkowane pary cząstek, tak jak np. wysokoenergetyczne kwanty gamma produkują parę elektron-pozyton. To jest również zjawisko, które dobrze znamy i wykorzystujemy np. w detekcji promieniowania.

K.G.: I rozumiem, że nie mogłyby powstać struktury, gwiazdy, ludzie, tego typu rzeczy, bo te cząstki właśnie by anihilowały, czyli znikały i wytwarzałaby się energia, mnóstwo energii. Z powrotem pojawiają się cząstki, no ale to tak trochę w kółko.

J.K.: Myślę, że idąc tym tropem rozumowania, moglibyśmy powiedzieć, że to, że akurat Wszechświat jest taki, jaki jest, to jest wynik tego, że w pewnym momencie jego ewolucji była i nadal jest przewaga materii nad antymaterią, i to znaczna.

K.G.: To dobrze.

J.K.: Nie wiem, czy to jest najlepszy ze światów, ale dosyć się do niego przyzwyczailiśmy, więc trudno sobie wyobrazić, żebyśmy dążyli do czegoś diametralnie różnego, chociaż być może to byłoby lepsze.

K.G.: To jeszcze powiedzmy, jakie własności mają antycząstki. Czym się różnią cząstki i antycząstki?

J.K.: Mają przeciwny ładunek. Najlepszym przykładem jest elektron i pozyton albo proton i antyproton, które mają wszystkie własności takie same, oprócz tego, że ładunek jest inny. Proton obecnie jest uważany za cząstkę stabilną, nikt do tej pory nie zaobserwował rozpadu protonu. Został wykonany eksperyment, to była taka pułapka magnetyczna. I antyprotony tam przeżyły dwa, trzy miesiące. Drogi eksperyment, utrzymanie tego w wysokiej próżni i w polu magnetycznym to były duże koszty. No ale pokazano, że antyproton ma taki sam czas życia – kilka miesięcy. Ale jeżeli mówimy o czasie życia cząstek elementarnych, to to jest niesłychanie długi czas. Więc pokazano, że antyproton też jest stabilną cząstką, nie rozpada się, a – tak jak pani na początku wspomniała – anihiluje, spotykając na swojej drodze proton, i tworzą się różne cząstki. Najczęściej są to najlżejsze z mezonów, czyli piony.

K.G.: A można by zrobić z antyprotonu i antyelektronu antyatom?

J.K.: Tak. I takie eksperymenty są prowadzone. Chyba już dwadzieścia kilka lat temu w eksperymencie zostały wyprodukowane pierwsze antywodory, czyli atomy, gdzie jądrem jest antyproton, a na orbicie krąży pozyton, a nie elektron, jak w zwykłym atomie wodoru. Obecnie prowadzone są eksperymenty, które badają strukturę takiego tworu, którym jest antywodór. I do tej pory stwierdzono, że linie widmowe, które dobrze znamy z wodoru, są takie same dla antywodoru, czyli materia i antymateria zachowują się dokładnie tak samo. Odległości między poziomami energetycznymi są takie same, więc wydaje się, że mamy pełną symetrię. Różnica jest tutaj w ładunku.

K.G.: Ale to znaczy, że jeśli z jakiejś przyczyny gdzieś we Wszechświecie znajdowałoby się ciało niebieskie, które obserwujemy widmami, to nie zauważymy, że ono jest z antymaterii?

J.K.: Tak. Jeżeli dochodziłoby do nas promieniowanie elektromagnetyczne, to wtedy to promieniowanie wyglądałoby tak samo. Powinno wyglądać tak samo, jak dla materii.

K.G.: Chociaż się nie spodziewamy, bo o ile wiemy, to Wszechświat jest zasadniczo w dużych skalach wszędzie taki sam. Chyba. Najprawdopodobniej?

J.K.: Tak, myślę, że to jest dobre słowo, które trzeba dodać. My potrafimy teraz sięgnąć teleskopami i radioteleskopami, które mamy do dyspozycji, coraz głębiej, coraz dalej, no ale wydaje się, że to wygląda podobnie jak tutaj, na Ziemi. Oczywiście gęstości i temperatury są inne, no ale to też mamy w Słońcu.

K.G.: I teraz tak: kwestia materii i antymaterii to jest naprawdę jedna z fundamentalnych zagadek współczesnej fizyki. Pan wspomniał o tych warunkach Sacharowa. Jednym z nich jest właśnie to łamanie symetrii C i CP. Rozwińmy ten wątek, bo to nas prowadzi do neutrin, które pan bada. 

J.K.: W fizyce symetria odgrywa kluczową rolę. My wiele rzeczy potrafimy wyjaśnić albo zbadać, sugerując, że powinna być zachowana bądź niezachowana symetria. Mamy kilka symetrii, które obowiązują albo obowiązują w sposób ścisły, a niektóre z nich są łamane, ale są łamane na poziomie ułamka procenta czy ułamka promila. No i teraz symetria ładunkowa polega na tym, że ładunek cząstki z ładunkiem przeciwnym, czyli ładunek z dodatniego zmienia się na ujemny i odwrotnie, a symetria przestrzenna polega na tym, że gdy zmienimy osie układu współrzędnych, takie, jakie mamy w przestrzeni trójwymiarowej, czyli X, Y i Z na −X, −Y, −Z, to nic się nie zmieni. CP w żargonie to jest właśnie ładunek i parzystość. Jeżeli złożymy te dwie symetrie i zauważymy ich niezachowanie złożenia, to jest to właśnie jeden z tych warunków Sacharowa. I w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku takie łamanie symetrii CP zostało zaobserwowane dla kwarków, ale ono jest na poziomie niewystarczającym, aby wytłumaczyć taką dużą różnicę pomiędzy materią i antymaterią, która jest obecnie obserwowana we Wszechświecie. Dlatego, jeżeli takie łamanie symetrii CP byłoby obserwowane również w innym sektorze cząstek, ale nie dla kwarków, tylko dla leptonów – leptony to są elektrony, miony, taony i ich antycząstki, ale też neutrina – no to wtedy zaobserwowanie łamania symetrii w tym sektorze cząstek innych niż kwarki mogłoby tłumaczyć to, że obserwujemy taką asymetrię między materią i antymaterią. To jest drugi z warunków Sacharowa, a pierwszy to jest łamanie liczby barionowej – tak mówimy w fizyce, ale przykładem takiego procesu łamania liczby barionowej jest rozpad protonu.

K.G.: No i mówi pan, że tego nie zaobserwowano.

J.K.: Do tej pory nie zaobserwowano rozpadu protonu.

K.G.: Co więcej, żeby go rozbić, trzeba się strasznie wysilić.

J.K.: Właściwie i tak, i nie. Nie będziemy rozbijać protonu, bo wiemy, że proton składa się z trzech kwarków. To są eksperymenty, które zostały wykonane w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych, i to jest dobrze ugruntowane i teoretycznie, i eksperymentalnie. W eksperymentach, które badają łamanie liczby barionowej, czyli rozpad protonu, podchodzi się do tego z trochę innej strony. Mianowicie mamy olbrzymi zbiornik wypełniony czymś – ja tu będę mówił o wodzie, bo to są eksperymenty w Japonii, w których bierzemy udział. Woda składa się z wodoru i z tlenu, są tam olbrzymie ilości protonów. I taki zbiornik z wodą otoczony jest detektorami. Naokoło tego detektora są fotopowielacze, które zbierają błyski światła. I jeżeli proton będzie się rozpadał, to powstaną cząstki, które będziemy mogli zaobserwować. No i jeżeli zaobserwujemy właśnie takie cząstki, które są wynikiem rozpadu protonu, o takiej energii, która poskłada się na masę protonu, to będziemy mogli powiedzieć, że rozpad protonu został zaobserwowany.

K.G.: Ale on się ma rozpaść tak sam z siebie?

J.K.: Tak, to byłaby własność natury. Jak już powiedziałem, rozpad protonu do tej pory nie został zaobserwowany. Z tych eksperymentów pochodzą najlepsze limity na czas życia protonu i one wynoszą, średnio rzecz biorąc, dziesięć do trzydziestej trzeciej lat. To jest olbrzymia liczba, bo wiek Ziemi to jest mniej więcej cztery i pół miliarda lat, czyli dziesięć do dziewiątej lat.

K.G.: To jak można to oszacować?

J.K.: Można to oszacować w taki sposób, że te zbiorniki wody są bardzo duże, tam jest pięćdziesiąt tysięcy ton wody. Jeżeli weźmiemy liczbę Avogadra, która wynosi dziesięć do dwudziestej trzeciej, to dziesięć do dwudziestej trzeciej cząsteczek wody jest w osiemnastu gramach wody. Więc jak mamy pięćdziesiąt tysięcy ton, no to tych cząsteczek jest dziesięć do trzydziestej którejś. Jeżeli to obserwujemy przez dziesięć lat, to wtedy możemy właśnie taki limit czasu rzędu dziesięć do trzydziestej trzeciej podać.

K.G.: Czyli my oglądamy tak długo tak dużą liczbę protonów i skoro żaden się nie rozpadł…

J.K.: Tak jest, żaden się nie rozpadł. Jeżeli chodzi o rozpad protonu, to tło jest tam bardzo nieduże. Więc jeżeli taki rozpad protonu by się pojawił, to zostałby zauważony.

K.G.: No to skoro ten rozpad protonu nie zostaje zauważony, cały czas nie możemy wykluczyć, że on gdzieś tam jednak istnieje, ale nie zostaje zauważony, to może Sacharow po prostu nie ma racji z tym swoim pierwszym warunkiem.

J.K.: Tak też może być. Nikt nie mówi, że te warunki są bezwzględne i muszą być spełnione. Ale są modele teoretyczne, które przewidują rozpad protonu też na gruncie innych podejść, i one mają limity rzędu dziesięć do trzydziestej czwartej, dziesięć do trzydziestej piątej lat. Więc wydaje się, że w eksperymencie w Japonii Hyper-Kamiokande detektor będzie ponad pięć razy większy, niż detektor Super-Kamiokande. Ten limit – dziesięć do trzydziestej czwartej – zostanie osiągnięty w ciągu siedmiu, dziesięciu lat pracy tego nowego detektora. Więc to jest podejście, które w tej chwili mamy. No i jeżeli chodzi o czas życia protonu, wydaje się, że jest to chyba obecnie najlepsze, co potrafimy zrobić.

K.G.: A czy te warunki Sacharowa są komplementarne? To znaczy, wszystkie trzy muszą zachodzić, żeby jego uzasadnienie było spójne?

J.K.: On podał te trzy warunki, więc wydaje się, że one powinny być wszystkie spełnione, żeby to wyjaśnić. Na początku powiedziałem, że jest to podejście, które jest dosyć powszechnie uznawane za to, które mogłoby wyjaśnić taką dominację materii nad antymaterią. Ale pewnie są też inne podejścia.

K.G.: To jest ten warunek dotyczący łamania prawa zachowania liczby barionowej. A ta kwestia łamania symetrii CP – rozumiem, że tutaj neutrina są właśnie tym, co wskazaliście w eksperymencie T2K. Super-Kamiokande jest elementem tego eksperymentu. Co udało się pokazać?

J.K.: Eksperyment T2K to jest eksperyment, w którym bierze udział około trzystu pięćdziesięciu fizyków z całego świata, w tym grupa około trzydziestu fizyków z Polski z różnych uniwersytetów. I ten eksperyment bada własności neutrin, korzystając z wiązki neutrin, która jest produkowana w laboratorium w Japonii. Obecnie potrafimy produkować wiązki neutrin, co nie jest trywialne z tego powodu, że neutrina nie mają ładunku. Więc my potrafimy przyspieszać cząstki, które mają ładunek jak protony, elektrony. Ale te cząstki, które nie mają ładunku, jest niesłychanie trudno przyspieszyć. Potrafimy to robić, zderzając protony z tarczą. W Japonii mamy tarczę węglową. I w wyniku takiego zderzenia produkowane są różne cząstki, m.in. piony, które rozpadają się właśnie na neutrina. No i takie neutrina możemy wtedy wysyłać do detektora, gdzie są mierzone. W eksperymencie T2K mamy dwa detektory. Jeden znajduje się blisko miejsca produkcji wiązki neutrin, dokładnie dwieście osiemdziesiąt metrów. To jest w miejscowości Tokai, na wybrzeżu Pacyfiku w Japonii, mniej więcej sto pięćdziesiąt kilometrów na północ od Tokio. A drugi detektor, który mamy, to jest właśnie detektor Super-Kamiokande, który znajduje się około trzystu kilometrów na wschód od Pacyfiku w górach, które nazywają się Alpami Japońskimi. On znajduje się we wnętrzu góry właśnie w miejscowości Kamioka.

K.G.: To jest ten sam detektor, w którym jest obserwowane też to, czy te protony się rozpadają?

J.K.: Tak, to jest ten sam detektor. On bada też neutrina produkowane w atmosferze i neutrina ze Słońca. Tak że to jest takie laboratorium, w którym można badać neutrina z różnych źródeł. No i teraz wracając do tego łamania symetrii CP – w tym akceleratorze można produkować zarówno neutrina mionowe, jak i antyneutrina mionowe. Mamy trzy rodzaje neutrin. Tak jak mamy elektron, mion i taon – to są trzy leptony, to jest generacja cząstek elementarnych – tak mamy trzy rodzaje neutrin: neutrina elektronowe, neutrina mionowe i neutrina taonowe. Możemy tam produkować wiązkę neutrin mionowych i wiązkę antyneutrin mionowych. Neutrina mają tę własność, że podróżując w czasie albo na jakieś odległości, mogą zmieniać swój zapach. A zapach to jest właśnie zapach elektronowy, mionowy albo taonowy. Mogą zmieniać swój zapach…

K.G.: Swoje własności.

J.K.: To jest takie uproszczenie, no bo ten mechanizm jest trochę bardziej skomplikowany, ale suma summarum mogą zmieniać swoje własności. No i teraz my, produkując wiązkę neutrin mionowych, mamy szansę zaobserwować neutrina elektronowe w miejscowości Kamioka, trzysta kilometrów od miejsca produkcji. Albo możemy zaobserwować antyneutrina elektronowe, gdy produkowana jest wiązka neutrin mionowych. No i teraz, jeżeli symetria CP byłaby zachowana, to nie powinniśmy obserwować różnic pomiędzy tym, jak się zachowują neutrina mionowe i antyneutrina mionowe. Ten proces zmiany własności neutrin nazywa się oscylacjami neutrin. Czyli jeżeli nie ma łamania symetrii CP dla neutrin, to powinniśmy nie obserwować różnic w oscylacji neutrin i antyneutrin. No i trzy lata temu, w kwietniu 2020 roku eksperyment T2K opublikował w bardzo prestiżowym czasopiśmie „Nature” artykuł, w którym wskazaliśmy na możliwość różnic w oscylacjach neutrin i antyneutrin wskazującą na łamanie symetrii CP.

K.G.: Czyli one się trochę inaczej zachowują.

J.K.: Tak. Ja tutaj celowo użyłem słowa „wskazaliśmy na możliwość”, a nie powiedziałem, że „odkryliśmy łamanie symetrii CP”. Mianowicie eksperymenty neutrinowe charakteryzują się tym, że jest obserwowanych bardzo mało przypadków oddziaływań neutrin. Wynika to z tego, że jest bardzo małe prawdopodobieństwo na oddziaływanie neutrin z materią. A my potrafimy zaobserwować tylko te cząstki, które oddziałują z materią. Zresztą my rejestrujemy wszystko, co nas otacza, poprzez oddziaływanie. My tutaj widzimy się z panią redaktor dlatego, że fotony oddziałują i odbijają się od nas czy uginają. To jest wynik takiego oddziaływania. I to samo jest w fizyce cząstek. No i dlatego prawdopodobieństwo działania neutrin jest niesłychanie małe.

K.G.: Czyli macie mało danych.

J.K.: Dokładnie. Ale na podstawie tych danych, które zostały zebrane, z pewnym dosyć dużym prawdopodobieństwem możemy powiedzieć, że jest niezachowanie symetrii CP dla neutrin, czyli oscylacje neutrin różnią się od oscylacji antyneutrin. A gdyby była pełna symetria, to powinniśmy obserwować taką samą liczbę neutrin elektronowych jak neutrin antyelektronowych.

K.G.: Ale gdyby neutrina rzeczywiście łamały tę symetrię, co byłoby jednym z tych warunków Sacharowa, to co to ma do całej reszty materii? Dlaczego łamanie przez neutrina i antyneutrina tej symetrii miałoby tłumaczyć istnienie wszystkich innych cząstek materii, skoro one tak słabo oddziałują? Więc co takie neutrino ma do moich swojskich atomów, z których jestem zbudowana?

J.K.: Wydaje mi się, że to jest zupełnie inne pytanie, bo pani pytanie dotyczy tego, skąd się wzięły cząstki i dlaczego mają własności takie, a nie inne, dlaczego mają takie, a nie inne masy, dlaczego oddziałują w taki, a nie inny sposób. To jest fundamentalne pytanie w fizyce, szczególnie w fizyce cząstek elementarnych. Eksperyment T2K wskazuje na taką możliwość w sektorze innym niż kwarków – bo dla kwarków ten efekt został odkryty już kilkadziesiąt lat temu – że łamanie symetrii CP mogłoby tłumaczyć różnicę między ilością materii i antymaterii, jeżeli wszystkie warunki Sacharowa byłyby spełnione. Natomiast chyba nie można tego generalizować w taki sposób, że to, że jest to łamanie, wyjaśni nam wszystko. To jest pewien niewielki wycinek tych pytań, które w tej chwili ma przed sobą fizyka cząstek elementarnych.

K.G.: To jakie macie dalsze plany? Czy ten eksperyment będzie rozwijany, żeby mieć więcej danych? Czy np. w tym Hyper-Kamiokande będzie więcej danych?

J.K.: Trwa budowa kolejnego eksperymentu. Jest budowany nowy detektor, który będzie nazywał się Hyper-Kamiokande, który będzie korzystał z tej samej wiązki neutrin, jak detektor Super-Kamiokande, przy czym intensywność tej wiązki będzie zwiększona prawie dwa razy. Czyli będziemy mieli produkowanych więcej neutrin, a sam detektor będzie około pięciu razy większy niż detektor Super-Kamiokande. Tak że spodziewamy się, że będziemy mogli obserwować więcej przypadków oddziaływań neutrin, czyli w krótkim czasie dojść do bardziej przekonujących wniosków. Może nie tylko wskazanie na to, że jest możliwe łamanie symetrii, ale odkrycie już tego zjawiska w przypadku neutrin i antyneutrin. To jest jeden z celów. No i oczywiście rozpad protonu. Będzie tam pięć razy więcej protonów, bo detektor będzie około pięciu razy większy, więc będzie obserwacja większej liczby cząstek, w tym przypadku protonów, i większe prawdopodobieństwo zaobserwowania albo zwiększenie limitu na czas życia protonu. Tutaj spodziewamy się, że zostanie zwiększony około dziesięciu razy.

K.G.: A kiedy ma ruszyć ten eksperyment?

J.K.: W 2027 roku. W tej chwili jest drążona komora pod ten detektor w takiej sąsiedniej górze. Detektory neutrin zazwyczaj są umieszczone dosyć głęboko pod ziemią. Ja już wspomniałem, że jest niewielkie prawdopodobieństwo oddziaływań neutrin tak, żebyśmy mogli obserwować oddziaływania neutrin, a nie oddziaływania promieniowania kosmicznego, co miałoby miejsce, gdyby detektor był umieszczony na powierzchni ziemi. Mimo tego, że na szczęście chroni nas atmosfera, i tak jesteśmy bombardowani przez cząstki promieniowania kosmicznego.

K.G.: No właśnie o to miałam pytać. Po co chować detektory w górach i kierować w ich kierunku wiązkę neutrin, skoro deszcz neutrin nieustannie na nas spada? W tym momencie miliardy sobie przez nas przelatują i są, nie trzeba ich produkować.

J.K.: Tak, ale żeby zaobserwować, trzeba mieć oddziaływanie neutrin, a ono zachodzi bardzo rzadko. One oczywiście przechodzą przez ziemię, więc jeżeli detektor jest kilkaset metrów pod ziemią – w przypadku detektora Super-Kamiokande to jest prawie kilometr pod ziemią – no to wtedy prawdopodobieństwo tego, że będziemy obserwować cząstki promieniowania kosmicznego oprócz neutrin, jest niesłychanie małe.

K.G.: Oczyścimy sobie dane.

J.K.: Tak. Można powiedzieć, że w pierwszym przybliżeniu będą to oddziaływania neutrin, bo to są jedyne cząstki, które tam dochodzą. Oczywiście nie jest tak łatwo, bo są też cząstki pierwiastków promieniotwórczych, które się rozpadają w ziemi itd. Ale to jest ten rodzaj tła, z którym potrafimy sobie stosunkowo łatwo poradzić.

K.G.: Ale jak to jest – muszę panu przyznać, że tak po ludzku tego nie rozumiem – że te neutrina zwykle nie oddziałują, a raz na jakiś czas jednak tak? No bo człowiek by tak chciał po ludzku, logicznie albo w tę, albo we wtę. Albo oddziałujesz, albo nie oddziałujesz. Albo pana widzę, albo pana nie widzę.

J.K.: Ale to jest tylko kwestia liczb. Prawdopodobieństwo oddziaływania neutrin jest wiele rzędów wielkości mniejsze niż innych cząstek. Więc tutaj jest to tylko liczba. Po prostu nie mają ładunku, dlatego nie oddziałują w sposób elektromagnetyczny, który jest takim powszechnym sposobem oddziaływania cząstek, które mają ładunek. Więc to tutaj eliminuje takie stosunkowo łatwe do wykorzystania mechanizmy detekcji. One nie mają ładunku, no więc np. w detektorze Super-Kamiokande i w tym nowo budowanym Hyper-Kamiokande będziemy obserwować nie neutrina, tylko produkty reakcji neutrin z jądrami wody. No bo jeden i drugi detektor jest wypełniony wodą. To zresztą jest ciekawy mechanizm obserwacji neutrin. Mianowicie wykorzystujemy promieniowanie Czerenkowa, które jest emitowane przez cząstki naładowane. Neutrina nie mają ładunku, ale w wyniku oddziaływania z protonami np. wody powstają cząstki naładowane, np. elektron, jeżeli jest to neutrino elektronowe, albo mion, jeżeli jest to neutrino mionowe. I taki elektron albo taki mion w wodzie może poruszać się szybciej niż prędkość światła w wodzie. Jeżeli porusza się szybciej, to wtedy emituje promieniowanie elektromagnetyczne, które emitowane jest w taki stożek. No i my, umieszczając na ścianach tego detektora fotopowielacze, czyli instrumenty, które zamieniają światło na impuls elektryczny, potrafimy taki stożek zrekonstruować i powiedzieć, czy to był elektron, czy to był mion, z jakiego kierunku nadleciał, jaka była jego energia.

K.G.: Czyli bezpośrednio nie widzicie.

J.K.: Bezpośrednio nie widzimy neutrin, badamy produkty oddziaływań neutrin z detektorem.

K.G.: A to też jest dość częsta praktyka w fizyce cząstek, prawda?

J.K.: Tak. Jeżeli cząstka jest np. krótkożyciowa, no to widzimy ślad, który zostawi w detektorze, albo wynik jej oddziaływania z materiałem detektora. No i wtedy możemy, idąc jak gdyby do tyłu, zrekonstruować całe zdarzenie – to się w fizyce nazywa zdarzenie, taki proces oddziaływania – i powiedzieć, że na początku było tak i tak.

K.G.: A w ogóle jest tak, że neutrina przez to, że nie oddziałują czy oddziałują bardzo rzadko z materią, to jakoś o nich zapominamy, a zdaje się, że one są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami posiadającymi masę we Wszechświecie. To one rządzą.

J.K.: Bilans masy Wszechświata to jest osobna sprawa. Wydaje się, że pewnej części masy, tej, którą my widzimy, jest po prostu za mało. Oczywiście są teraz eksperymenty, których celem jest detekcja cząstek ciemnej materii, no ale to jest chyba temat na osobną dyskusję. W każdym razie ciemna materia nie jest przedmiotem badań Super-Kamiokande ani Hyper-Kamiokande.

K.G.: Chciałam pana zapytać o takie technikalia związane z Kamiokande i Super-Kamiokande. Mówi pan, że mamy taką tubę wypełnioną wodą, otoczoną na ściankach fotodetektorami. Jak widziałam zdjęcia w internecie, to to są takie złote półkule, tak to przynajmniej wygląda. Co tam jest?

J.K.: To są fotopowielacze, które mają średnicę pięćdziesięciu centymetrów. I one są umieszczone na ścianach Super-Kamiokande, który ma średnicę około czterdziestu metrów, i wysokość o tej samej długości. Ten detektor to jest walec wypełniony wodą. Tych fotopowielaczy jest tam ponad jedenaście tysięcy. One zbierają światło. Obojętnie, jakie jest źródło tego światła, one je zbierają. I jeżeli teraz założymy, że zajdzie oddziaływanie neutrina z wodą i powstanie cząstka, która porusza się szybciej, niż światło w wodzie – co jest stosunkowo łatwe, no bo jeżeli neutrina z tej wiązki produkowanej w Japonii mamy wysokoenergetyczne, to te cząstki mają wysokie energie i ich prędkości są większe, niż prędkość światła w wodzie – to wtedy rejestrowane są fotony, które są wynikiem tego oddziaływania, i one tworzą takie pierścienie. No i analizując kształt takiego pierścienia, jego brzegi, potrafimy taki przypadek zrekonstruować. A sam fotopowielacz działa w taki sposób, że foton, wpadając do fotopowielacza, wybija elektron i ten elektron, uderzając w kolejną katodę, wybija kolejne elektrony. Tam są odpowiednie napięcia między dynodami, no i ten sygnał może być wzmocniony nawet milion razy.

K.G.: To tak inżynieryjnie. Myślę, że to jest duże wyzwanie – utrzymać w dobrym stanie taki eksperyment, biorąc pod uwagę np. ciśnienie tej wody. 

J.K.: Oczywiście. Te fotopowielacze muszą być wytrzymałe, no bo ciśnienie na głębokości czterdziestu metrów jest olbrzymie. W Polsce ostatnio otwarto basen do głębokiego nurkowania, ale tam jest chyba dwadzieścia kilka metrów. Tu mamy czterdzieści metrów. Więc te fotopowielacze muszą być bardzo wytrzymałe i muszą bez serwisowania wytrzymać wiele lat pracy. No bo wymiana takiego fotopowielacza jest niesłychanie trudna. W tym eksperymencie, który jest obecnie budowany, w Hyper-Kamiokande, nawet elektronika będzie zanurzona pod wodą. On będzie miał rozmiary mniej więcej siedemdziesiąt na siedemdziesiąt metrów, więc jeszcze większe ciśnienie będzie na spodniej części tego zbiornika. Wymagania są takie, żeby fotopowielacze i elektronika nie były serwisowane przez dwadzieścia lat. To też jest olbrzymie wyzwanie dla inżynierów i elektroników.

K.G.: Już miałam pytać, czy zatrudnia się czasami nurków ekstremalnych.

J.K.: Na pewno w internecie można znaleźć zdjęcie nurka, który pracuje we wnętrzu detektora Super-Kamiokande. On znajduje się mniej więcej w jednej trzeciej wysokości, może w połowie wysokości. Więc nie wiem, czy nurkowie schodzą tam na sam dół. Chyba dwa albo trzy lata temu była spuszczona woda z detektora i były czyszczone te fotopowielacze, które były zepsute, no bo oczywiście nie jest tak, że wszystkie te ponad jedenaście tysięcy pracuje bezawaryjnie. Zepsutych ich było niedużo, nieco ponad sto przez kilkanaście lat pracy, tak że to wszystko bardzo dobrze działa. One zostały wymienione, więc miałem okazję tam być we wnętrzu tego detektora, bez wody oczywiście. Robi to olbrzymie wrażenie.

K.G.: Właśnie, jakie to jest wrażenie – być w takiej złotej tubie? Jeszcze pan wie, że tysiąc metrów góry nad panem.

J.K.: To jest niesamowite wrażenie. Zapisałem się na szychty – na Śląsku szychty to takie zmiany ludzi, którzy pracują – w czyszczeniu tego zbiornika, bo on jest wypełniony ultraczystą wodą, żeby nie było tam glonów ani innych zanieczyszczeń, bo woda musi mieć jak najwyższą przezroczystość, żeby światło, które jest produkowane przez cząstki, które tam powstają w wyniku oddziaływania neutrin, mogło bez przeszkód dotrzeć. To są olbrzymie odległości, bo to jest kilkadziesiąt metrów, żeby to światło mogło przez nie dotrzeć do fotopowielaczy. Ale mimo to czyściliśmy ściany tego detektora, wymienione zostały zepsute fotopowielacze.

K.G.: Czyli pan tam był tak ze ściereczką?

J.K.: Tak. To jest bardzo fajne, bo to jest zupełna demokracja. Studenci, profesorowie – wszyscy dostaliśmy odpowiednie rzeczy do czyszczenia tych ścian detektora. Naprawdę, była to taka konkretna praca.

K.G.: A jak tam się dostawaliście? Jakoś spuszczali was na takich rampach?

J.K.: Tak, rampy były zawieszone na linach na górze tego detektora, było to opuszczane na dół, była spuszczana woda, no i jedna ekipa czyściła, a inna wymieniała te fotopowielacze. Więc to wszystko wymaga precyzyjnego zaplanowania, żeby to robić po prostu sukcesywnie. Później jest to przez kilka tygodni wypełniane wodą, bo to są olbrzymie ilości wody. I później detektor jest włączany i wszyscy są pełni napięcia, czy zacznie działać. Ale zaczął działać i już zbiera dane od dwóch lat po tej wymianie zepsutych fotopowielaczy i czyszczeniu ścian.

K.G.: To taka codzienna praca odbywa się zdalnie czy jeździ się tam na miejsce?

J.K.: Jeżeli chodzi o dozorowanie zbierania danych, bo trwają też szychty dozorowania zbierania danych, to w większości przypadków jest to teraz robione zdalnie. Ale jest tam ograniczona liczba ludzi, która na bieżąco monitoruje sprawy techniczne, czyli przepływ wody, pompy. W tej chwili do wody dosypywany jest siarczan gadolinu, czyli taka substancja, która nie zmieni przezroczystości wody, a pozwoli mierzyć neutrony. Mierzenie neutronów w detektorze Super-Kamiokande było dosyć trudne. Neutrony były badane po wychwycie przez proton, wtedy powstaje deuter, no i jest emitowany kwant gamma, ale prawdopodobieństwo takiego procesu wychwytu neutronu jest około stu tysięcy razy mniejsze, niż na gadolinie. Więc teraz spodziewamy się, że będziemy mieli dużo danych związanych z rejestracją neutronów.

K.G.: To fajnie, taki wielofunkcyjny eksperyment.

J.K.: Tak, zostało to poprzedzone wieloma latami prób na mniejszych detektorach, bo w sumie dosypanych będzie ponad sto ton tego siarczanu gadolinu, ponieważ to jest olbrzymi detektor. Ilość wody, która jest w tym detektorze, to jest pięćdziesiąt tysięcy ton. Więc to było poprzedzone wieloma latami prób na mniejszych detektorach i okazało się, że – co w tej chwili jest potwierdzane – nie tracimy na transparentności wody, a będziemy mogli mierzyć neutrony.

K.G.: Zwiedzałam okolice eksperymentu Super-Kamiokande na Google Maps i nie wiem, czego się spodziewałam. Jakiegoś takiego wielkiego złotego znaku: „Tutaj odkrywamy tajemnice Wszechświata”, a tam tak skromnie. Można przejechać i nie zauważyć, że coś się dzieje.

J.K.: Tam właściwie nic nie ma. Jest budynek naziemny laboratorium obok drogi, która jest główną drogą w tych górach. Po drugiej stronie drogi jest taki niewielki hotel dla fizyków, dla naukowców, którzy tam przyjeżdżają. No i to w zasadzie wszystko, tam nawet nie ma stołówki, bo jedzenie jest dowożone. Przywożą takie zestawy, w których są obiady w takich styropianowych pojemnikach. To oczywiście trzeba zamówić, bo jest dosyć daleko do najbliższej miejscowości.

K.G.: Kuchnia wyłącznie japońska czy również europejska?

J.K.: Z tego, co pamiętam, to tylko japońska. To nowe laboratorium będzie miało swój nowy budynek naziemny, mam na myśli wjazd do części podziemnej. Z tego powodu, że ta wiązka neutrin, która jest produkowana u wybrzeży Pacyfiku, obejmie te dwa detektory.

K.G.: To jest fajne czy nudne jechać na miejsce?

J.K.: Trudne pytanie, bo jeżeli jest normalny dzień pracy, jeżeli nie buduje się tego detektora albo nie ma wymiany tych fotopowielaczy, jeżeli ten detektor działa, to polega to na tym, że się zjeżdża pod ziemię na osiem godzin i siedzi się w pokoju, który ma kilka, kilkanaście monitorów, które obserwują różne aspekty pracy tego detektora – przepływ wody, dane z fotopowielaczy itd. Te dane oczywiście się zapisują, ale jeżeli dzieje się coś niezwykłego, to trzeba odpowiednio zareagować. Tak wygląda ta codzienna praca, która być może specjalnie się nie różni od tego, co jest w jakiejś dużej fabryce, gdzie też mamy kilka monitorów, są jakieś procesy technologiczne i patrzymy, czy wszystko dobrze działa. Jeżeli coś działa nie tak, to zgodnie z procedurami trzeba zrobić to, to i tamto. I my też mamy swoje procedury. Jeżeli jakaś część przestanie działać, no to mniej więcej wiemy, co trzeba zrobić. Jak nie wiemy, jak nie zostało to jeszcze opisane, to wtedy się zastanawiamy, co trzeba zrobić.

K.G.: Mówił pan o tym, że jest międzynarodowa współpraca w tym eksperymencie. Czy jeśli chodzi o kulturę pracy, w jakiś sposób dominuje ten pierwiastek japoński, skoro jesteście tam na miejscu?

J.K.: Chyba tak, bo to, co można zauważyć w tym eksperymencie, to jest to, że jeżeli budujemy nowe części, to raczej nie ma opóźnień. Po prostu jest zakładany jakiś plan, który oczywiście może zostać zmodyfikowany, bo czasami wychodzą rzeczy, które są niezależne od nas. To są wszystko unikalne urządzenia, budowane właściwie po raz pierwszy. W tych japońskich eksperymentach poślizg jest nieduży albo nie ma go wcale. Moim zdaniem współpraca międzynarodowa zawsze jest ciekawa, bo ma się kontakt z ludźmi z różnych kontynentów. Zarówno eksperyment Super-Kamiokande, T2K, jak i Kamiokande, to jest Japonia, wiele krajów europejskich, Kanada i Stany Zjednoczone. Ostatnio do Hyper-Kamiokande dołączyło chyba Maroko i Brazylia, więc ten eksperyment staje się eksperymentem światowym, takim rzeczywiście globalnym.

K.G.: A czy podobny eksperyment, pewnie nie w takiej skali, ale w formie w Polsce również może powstać?

J.K.: To wymaga podziemnego laboratorium. Jeżeli mówimy o eksperymentach neutrinowych, to może nie wszystkie, ale zdecydowana większość ma swoje detektory pod ziemią. Jeśli mówimy o takich eksperymentach neutrinowych, które badają oscylację neutrin, to one są zazwyczaj duże, więc aparatura musiałaby być duża. Ale są też eksperymenty neutrinowe czy np. już wspomniane eksperymenty, w których poszukujemy ciemnej materii. To nie są duże eksperymenty, bo one mają detektory o masie kilkudziesięciu, kilkuset kilogramów, maksymalnie tony. Więc to nie są duże eksperymenty. Mają oczywiście swoje inne skomplikowane aspekty techniczne, jak np. kriogenika albo ekstremalnie wysokie wymagania, jeżeli chodzi o czystość materiałów użytych do budowy, żeby było jak najmniejsze tło. Ale tak objętościowo rzecz biorąc, nie są to duże eksperymenty. Nie są to eksperymenty rzędu kilkadziesiąt na kilkadziesiąt metrów. Żeby gościć taki eksperyment, laboratorium nie musi być duże, bo one są rozmiarów kilka na kilka czy na kilkanaście metrów.

K.G.: Myśli pan, że najbliższe dekady udzielą nam w pełni odpowiedzi na tę zagadkę dotyczącą materii i antymaterii, czyli dlaczego istnieje raczej coś niż nic?

J.K.: Nie wiem, czy moja odpowiedź na to pytanie nie będzie tendencyjna, bo pracuję w eksperymencie T2K, a teraz w przygotowaniu eksperymentu Hyper-Kamiokande. Wydaje mi się, że wiążemy duże oczekiwania z Hyper-Kamiokande właśnie z tego powodu, że będzie pięć razy większy, będzie miał lepszą wydajność detekcji. Będzie to po prostu lepszy detektor, niż ten, który obecnie mamy, czyli Super-Kamiokande. Intensywność wiązki też będzie większa. Więc możemy spodziewać się, że będziemy rejestrować więcej przypadków oddziaływań neutrin, a tym samym szanse na to, że odkryjemy rozpad protonu czy też potwierdzimy łamanie symetrii CP, moim zdaniem są duże. Jeżeli chodzi o CP, chyba większe, niż rozpad protonu, ale to ostatnie to jest taki mój prywatny ranking.

K.G.: Bardzo dziękuję za całą pana pracę i że znalazł pan czas dla Radia Naukowego. Pan profesor Jan Kisiel, Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego. Dziękuję panu serdecznie.

J.K.: Dziękuję bardzo.

Dodane:
1,9 tys.

Gość odcinka

Prof. Jan Kisiel

Prof. Jan Kisiel

Pracuje w Instytucie Fizyki na Wydziale Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Zainteresowania naukowe: doświadczalna fizyka jądrowa, fizyka cząstek elementarnych, zwłaszcza badania własności neutrin w eksperymentach z tzw. długą bazą z wykorzystaniem różnych układów detekcyjnych, pomiary charakterystyk podziemnych laboratoriów fizyki, w szczególności badania promieniotwórczości naturalnej, stanowiącej istotne tło dla eksperymentów fizycznych poszukujących rzadkich procesów.

Obserwuj Radio Naukowe

Ulubione

Skip to content