Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Świat obiektów najmniejszych – kwarki, gluony i oddziaływania silne [E147]

Świat obiektów najmniejszych – kwarki, gluony i oddziaływania silne [E147]

E147
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

E147
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Prof. Barbara Badełek

Prof. Barbara Badełek

Od czasów studiów jest związana z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Pracowała wiele lat również w Szwecji, na Uniwersytecie w Uppsali, gdzie uzyskała niezależną profesurę. Uczestniczy w zespołach badawczych w CERN, aktualnie w międzynarodowych współpracach COMPASS i AMBER, zajmujących się badaniem struktury protonu.

Model standardowy to nasze wyobrażenie o tym, jak poukładany jest wewnętrznie świat obiektów elementarnych – mówi w Radiu Naukowym prof. Barbara Badełek z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – Zadziwiające jest to, jak dobrze zgadza się on z doświadczeniem. W tle musi być coś naprawdę zgodnego z rzeczywistością, prawdą przez duże „P”, skoro tak świetnie oddaje on prawie wszystkie cechy znanego nam świata mikro – dodaje.

W odcinku rozmawiamy o składnikach tego mikroświata i siłach w nim działających. Na przykład jak to się dzieje, że w jądrze atomowym są ściśnięte, dodatnio naładowane protony? – W mikroświecie jednak liczą się nie tylko oddziaływania coulombowskie. Protony w gromadce utrzymują oddziaływania silne – przypomina uczona. Oddziaływania silne są naprawdę silne, potężne. Żeby je rozerwać i zajrzeć do wnętrza protonu, potrzeba takich olbrzymich urządzeń, jak słynne LHC. Właśnie oddziaływaniami (siłami) silnymi zajmują się eksperymenty, w których uczestniczy prof. Badełek: COMPASS i AMBER w laboratorium CERN – To najmniej znana i najtrudniejsza część badań dotyczących fizyki mikroświata – ocenia.

W dodatku w samym protonie nieustannie mnóstwo się dzieje. – Znajdujące się w nim kwarki nie są statyczne, lecz powstają, są pochłaniane, powstają gluony i też są pochłaniane, powstają pary kwark, antykwark… To jest taki bulgocący kocioł – opisuje prof. Badełek.

W podcaście rozmawiamy także o tym, jak można sobie wyobrażać cząstki elementarne, czy znamy najmniejszą cząstkę, czy cały świat można opisać kwantowo (i dlaczego byłaby to mordercza praca), a także „kto zamawiał miony?”.

Prof. Barbara Badełek od czasów studiów jest związana Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Pracowała wiele lat również w Szwecji, na Uniwersytecie w Uppsali, gdzie uzyskała niezależną profesurę. Uczestniczy w zespołach badawczych w CERN, aktualnie w międzynarodowych współpracach COMPASS i AMBER zajmujących się badaniem struktury protonu.

Podcast powstaje dzięki wsparciu Patronek i Patronów https://patronite.pl/radionaukowe. To dzięki nim mogłam urządzić studio RN, kupić mikrofony i pozostały sprzęt. Dziękuję!

PEŁNA TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: Radio Naukowe gości u pani profesor Barbary Badełek. Dzień dobry, pani profesor.

Barbara Badełek: Dzień dobry wszystkim.

K.G.: Pani profesor od czasów studiów jest związana z Uniwersytetem Warszawskim. Właśnie jesteśmy na Wydziale Fizyki tego uniwersytetu. Jednocześnie pani profesor realizowała karierę naukową w Szwecji na uniwersytecie w Uppsali – uzyskała tam niezależną, równoległą profesurę. Aktualnie pani profesor uczestniczy w doświadczeniu prowadzonym przez Międzynarodową Współpracę COMPASS w CERN oraz – to osobna współpraca – w doświadczeniu AMBER. Pani profesor, będziemy rozmawiały, a raczej pani nam będzie opowiadała o tym najmniejszym, najmniejszym, najmniejszym świecie – o cząstkach elementarnych. Jak sama nazwa wskazuje – elementarnych, podstawowych. Jak mała jest najmniejsza cząstka?

B.B.: Żeby odpowiedzieć ściśle na to pytanie, muszę niestety wykonać pewne wprowadzenie. Otóż ten świat najmniejszych obiektów badanych w naszych doświadczeniach w CERN rządzi się bardzo specjalnymi prawami. I pewne słowa, pewne pytania muszą być dobrze zrozumiane w swoim własnym kontekście. Te słowa znaczą coś innego niż w życiu codziennym. Pani pytanie, jak mała jest ta cząstka, powinno raczej być sformułowane tak: jak głęboko obecnie wchodzimy w strukturę materii? Fizyka jest zawsze w stanie rodzenia się. I to, co dziś było oczywiste, jutro może być nieprawdziwe lub po prostu udoskonalone. I to pytanie powinno raczej wobec tego brzmieć: jak głęboko dzisiaj potrafimy zejść w strukturę materii? Otóż nie umiemy powiedzieć, czy obiekt ma rozmiary, czy też jest punktem, jeżeli jest mniejszy niż dziesięć do minus osiemnastej metra.

K.G.: To i tak imponująco.

B.B.: I nie umiemy również powiedzieć, czy w najbliższym czasie zejdziemy niżej, czy nie. Na razie obiekty, które bardzo dobrze znamy i używamy w eksperymentach, miewają rozmiary poniżej tej granicy, ale nie wiemy, czy są punktami, czy nie są.

K.G.: Ale to już nam coś mówi, bo dziesięć do minus osiemnastej to jest jeden i osiemnaście zer, to jest naprawdę mało. Ale czy to jest możliwe, żeby cząstka była punktem?

B.B.: W naszym zrozumieniu tego świata nie ma żadnych przeciwwskazań.

K.G.: Które cząstki są tak małe, że są mniejsze niż te dziesięć do minus osiemnastej?

B.B.: Być może nie są, być może są punktami. Choćby takie bardzo popularne cząstki, które wchodzą w skład naszego ciała i wszelkiej materii dookoła – elektrony.

K.G.: Ale – o ile to rozumiemy jako laicy – fizyka kwantowa nam mówi, że elektrony są w różnych miejscach, że one są takie jakieś bardziej rozmazane. To jak mogłyby być punktami?

B.B.: To znów jest pewnie sprawa słownika, ale tak nie możemy powiedzieć. Rzeczywiście, w fizyce kwantowej trudno jest posługiwać się pojęciami z życia codziennego. W życiu codziennym mamy bardzo jasne sformułowania. Obiekt znajduje się tu w tej chwili. I jeśli tylko mam odpowiednie przyrządy, potrafię dokładnie określić jego położenie w trójwymiarowej przestrzeni. Fizyka kwantowa takimi pojęciami się nie posługuje dlatego, że w pewnym sensie są one nieadekwatne, są wręcz nonsensowne. Nie potrafimy powiedzieć, gdzie jest elektron. Potrafimy tylko powiedzieć, z jakim prawdopodobieństwem np. elektron w atomie znajduje się tu, a nie tam.

K.G.: Pytam, specjalnie używając takiego popularnego języka, no bo w ten sposób funkcjonujemy na co dzień i próbujemy, korzystając z tego języka, jaki mamy, rozumieć to, co dzieje się w tym najmniejszym wszechświecie. Stąd właśnie to zderzenie pojęciowe, jakie, mam wrażenie, trochę między nami następuje. I będę to kontynuować. Bo jak się np. rysuje atom czy jądro atomu, to to są kuleczki. Czy w ogóle można mówić o kształcie cząstek elementarnych?

B.B.: Odpowiem krótko – nie. Ale muszę odpowiedzieć dłużej na pierwszą część pani pytania – że będzie pani używać tego języka dlatego, że na ogół nie znamy innego. Dla opisu fizyki kwantowej jednak trzeba o tym kompletnie zapomnieć. Jesteśmy gdzie indziej. Musimy używać innego słownika, innych pojęć, a najlepiej języka najprostszego, najbardziej zwartego i adekwatnego, czyli matematyki. Wszystko inne jest tylko naszym wyobrażeniem. W szczególności dotykamy tutaj takiego pojęcia „zdrowy rozsądek”. Einstein w pewnym momencie powiedział, że zdrowy rozsądek to jest suma przesądów, jakie nabywamy, zanim osiągniemy wiek osiemnastu lat. No i z tymi przesądami musimy się po prostu rozstać. Koniec, one tu nie pasują. Jeśli pani pozwoli, ja zacytuję taką anegdotkę, którą słyszałam jako studentka od nieżyjącego już profesora Pniewskiego, który właśnie rozpoczynając kurs semestralny wstępu do mechaniki kwantowej, opowiedział następującą historyjkę. Otóż wyobraźmy sobie, że mamy plemię jakichś prymitywnych ludów, które żyje nad brzegiem morza w jaskiniach. Zna więc tylko dwa typy materii: wodę w morzu i skałę w jaskini. No i potem ktoś z nas wpada na taki dowcip, że w nocy stawia przed wyjściem z ich jaskiń wielką bryłę szkła. I ci dzicy wychodzą rano z jaskini, i jeden powiada do drugiego: patrz, tam woda stoi. A drugi bardziej odważny podchodzi tam, dotyka tego szkła i mówi: ale to nie jest woda, to jest skała. To jest twarde i ostre. To nie jest ani woda, ani skała. Oni znają tylko te dwa słowa w swoim języku. Tu mówimy o czymś zupełnie innym.

K.G.: To czy w takim razie da się opowiadać o mechanice kwantowej bez matematyki?

B.B.: Na pewno się da, bo Einstein powiedział, że jeżeli nie umiesz wytłumaczyć, czym jest teoria względności swojej małej siostrze, to znaczy, że sam jej nie rozumiesz. Więc jakoś można, ale nie trzeba się z uporem trzymać pewnych pojęć. Trzeba przyjąć, że na niektóre słowa nie ma reakcji, a na niektóre pytania nie ma odpowiedzi. Więc wracając do pani pytania, czy cząstki elementarne to kuleczki, czy mają kształt – takiego hasła jak kształt w ogóle nie używamy. Posługujemy się innymi pojęciami, które nam określają cząstkę. Cząstkę się określa, no bo trudno sobie wyobrazić, że zobaczymy ją własnymi oczami. Wiemy, że do rzeczy małych się używa mikroskopu. Do cząstek elementarnych też się używa takich ogromnych, potwornych mikroskopów. Im obiekt mniejszy, tym mikroskop większy i bardziej skomplikowany. Ale mimo wszystko w wyniku tej operacji oglądania pod mikroskopem nie dostajemy obrazu, w sensie kształtu – czy to jest sześcianik, czy to jest kuleczka. Cząstki elementarne, małe obiekty określa się w sposób operacyjny – czyli to, jak się zachowują. Cząstka to jest takie coś, co w polu elektrycznym się zachowuje tak, w magnetycznym tak, przyspieszane zachowuje się tak itd. To jest definicja obiektu.

K.G.: Ale to jest tak, że one tych kształtów nie mają czy my nie jesteśmy w stanie ich ujrzeć?

B.B.: Nie wiem, nie umiem odpowiedzieć na to pytanie. W fizyce kryterium prawdy i poprawności to jest wynik dobrego, wielokrotnie powtarzanego eksperymentu. Oczywiście wykluczamy błędy inne niż związane z dokładnością aparatury.

K.G.: Ale wie pani, jeśli chodzi o ten język, to ja się teraz wypowiem z perspektywy publiczności. Państwo jako fizycy trochę nam jednak mieszają. No bo po co opisywać kwarki zapachami? Że one mają jakieś zapachy czy tego typu rzeczy. Czy nazywanie ich powabnymi, szczytowymi, dziwnymi. To są słowa z języka codziennego, więc my, laicy, szukamy jakichś połączeń.

B.B.: Rzeczywiście sześć typów kwarków powinno być nazwane pierwszy, drugi, trzeci, czwarty, piąty, szósty. W porządku. Fizycy miewają jednak coś w rodzaju poczucia humoru, uroku, piękna, fantazji, więc sobie tak nazwali. To nie ma nic wspólnego ani z urokiem, ani z niczym. To są takie sobie nazwy. I tak samo nie mają żadnych zapachów odczuwalnych nosem – znów fantazja. Mówi się również, że kwarki występują w trzech kolorach: czerwony, niebieski, zielony. Nie ma to nic wspólnego z kolorami optycznymi. Tak sobie nazwali. Oczywiście, powinny być nazwane „stan A”, „stan B”, „stan C” – trzy stany kwantowe. W porządku, można tak mówić.

K.G.: Pani profesor, model standardowy – proszę nam opowiedzieć, czym ta teoria jest. Ona opisuje właśnie ten podstawowy wszechświat? 

B.B.: Znów muszę się tu doczepić słownictwa – model to nie jest teoria. Tak samo, jak książka to nie jest to samo co komputer. To są dwie zupełnie różne rzeczy. Otóż w życiu codziennym słowo „teoria” funkcjonuje na innych zasadach. Mówi się: „Ja mam teorię, że ciocia Zosia nie lubi szarlotki”. To nie jest teoria, tylko wiadomość albo przekonanie.

K.G.: Ale wielokrotnie czytałam o teorii modelu standardowego. Czyli to jest błąd?

B.B.: Oczywiście, to jest błąd. Mamy w nauce hipotezę, model i teorię. Hipoteza to jest to, że ktoś wpadł na jakiś pomysł: ojej, a może to jest tak, będziemy to sprawdzać.

Model jest o klasę wyżej. Wiele rozmaitych testów wychodzi pozytywnie, ale tylko tyle. Nie udowodniliśmy w szczególności, że takie coś istnieje. Na przykład Wielki Wybuch. Wielki Wybuch to jest ciągle model, ponieważ dotąd nie wiemy, czy na pewno miał miejsce. Wiele testów wychodzi pozytywnie, że rzeczywiście miał miejsce, ale fizycy nie powiedzą, że na pewno się zdarzył, dopóki nie będą umieli go stworzyć w laboratorium. Koniec. W związku z tym Wielki Wybuch to ciągle jest model. I model standardowy to nie jest jeszcze teoria standardowa.

Teoria jest jeszcze klasa wyżej niż model. To jest matematyczny opis pewnego zespołu zjawisk. Z matematycznego opisu otrzymujemy zrozumienie, wytłumaczenie wszystkich wyników doświadczeń i jeszcze z tego opisu potrafimy przewidzieć wyniki doświadczeń. Na przykład planuje się doświadczenie, żeby coś tam sprawdzić i mówi się: teoria elektrosłaba przewiduje, że tu wyjdzie dwadzieścia i dwie dziesiąte. No i sprawdzamy w doświadczeniach – no tak, wszystko dobrze. To jest teoria, więc ma przewidywania.

Tak że model standardowy to model, a teoria to teoria. Model to jest nasze wyobrażenie o tym, jak poukładany jest wewnętrznie ten świat obiektów elementarnych. Ile tego mamy i co to są za obiekty, jak one się objawiają w eksperymencie. To się nazywa model standardowy. I ten model, jak każdy model, zawiera cały szereg wielkości, parametrów, które trzeba wziąć z doświadczenia, których nie umiemy przewidzieć z teorii. Bo właśnie tej ogólnej teorii oddziaływań cząstek elementarnych jeszcze nie ma. Zadziwiające jest, jak on z jednej strony dobrze się zgadza z doświadczeniem, a z drugiej bardzo wiele jego parametrów trzeba ciągle brać spoza tego modelu. Właśnie dlatego, że to jest model, więc spoza tego modelu. Ale on się świetnie zgadza z doświadczeniem i zachodzimy w głowę, co w tym jest. Coś w tle tego wszystkiego musi być naprawdę zgodne z rzeczywistością, z prawdą przez duże P, że tak świetnie oddaje on wszystkie znane nam cechy świata mikro.

K.G.: To jak zbudowany jest ten najmniejszy świat?

B.B.: Wydaje nam się w tej chwili – ale tu jest wielka pułapka, o której na końcu. Wydawało nam się przez długi czas, że bardzo dobrze rozumiemy, jak jest zbudowany. Znamy liczbę obiektów, których potrzebujemy, aby „stworzyć” materię przez nas tutaj oglądaną, doświadczaną, nawet jeżeli ta liczba obiektów elementarnych jest dość dziwaczna – trzydzieści kilka. To taka zła liczba, chciałoby się mieć trzy albo siedem – takie śliczne, symboliczne, magiczne liczby. Tak prosto nie jest. Ale ta liczba jest jednak niezbyt wielka, jest skończona. Wiemy, jakie obiekty są konieczne, żeby stworzyć atomy, z których my i wszystko dookoła jest zbudowane. Musimy do tego dodać jeszcze parę obiektów, które rzeczywiście już dobrze znamy i eksperymentujemy z nimi, które są odpowiedzialne za fakt, że kilka innych podstawowych cegiełek zlepia się razem i tworzy atomy. Jak może się zlepić? Każdy uczył się w szkole, że ładunki elektryczne jednoimienne się odpychają. W jądrze atomu mamy masę protonów. A trzyma się to razem i tworzy nas i wszystko dookoła. To wszystko powinno się natychmiast rozpaść, wybuchnąć. Z drugiej strony wiemy, że ładunki przeciwnych znaków się przyciągają. Wokół jądra atomu znajdują się elektrony przeciwnego znaku, bo są ujemne. Czemu nie spadną na jądro atomu? Więc widać, że nie tylko szkolne oddziaływania elementarne, kulombowskie, takie elektryczne budują nasz świat, że są jeszcze inne oddziaływania, w szczególności silniejsze niż kulombowskie. Pomimo rozrywających sił kulombowskich mamy jakieś siły, które trzymają to wszystko w kupie. I to prawda. Te właśnie ekstrasiły – my na nie mówimy siły silne, oddziaływania silne, trochę masło maślane – które trzymają w gromadce jądro atomu, to są te oddziaływania, które my badamy akurat w eksperymentach COMPASS i AMBER. Powiedziałabym, że to jest najmniej znana i najtrudniejsza część naszych badań dotyczących fizyki mikroświata.

K.G.: Czy to jest możliwe, żeby opowiedzieć laikom, na czym polega trudność w badaniu tych sił, jakie tam są jeszcze zagadki?

B.B.: Tu właśnie nie dopowiedziałam tej pułapki, którą zapowiedziałam. Otóż wydawało nam się, że to wszystko się jakoś tak razem ładnie trzyma i uzupełnia, opisuje to mechanika kwantowa, matematyka, wszystko jest przepięknie. Ale kilkanaście lat temu zauważono, że istnieją pewne wskazówki w Kosmosie, że istnieje tzw. ciemna energia. To znaczy, energia, która niewątpliwie znajduje się w dużych ilościach w Kosmosie, powoduje przyspieszone rozszerzanie Wszechświata, ale poza tym właściwie nic więcej o niej nie wiemy. Istnieje również tzw. ciemna materia. O niej już wiemy dłużej. I ona też poza wszelkimi wątpliwościami istnieje, ale nie umiemy zrozumieć jej własności, wymyka się doświadczeniom. I obu tych typów energii – ciemnej energii i ciemnej materii – jest bardzo dużo. Jest na tyle dużo, że się okazuje, że naszym modelem standardowym, naszym pojęciem o budowie Wszechświata obejmujemy tylko około czterech procent materii Wszechświata. A reszta to są te nieznane rzeczy. To jest straszny policzek dla fizyków cząstek. Bo wydaje się, że to się tak cudownie układa, że wszystko wiemy o tej materii, a tu właśnie istnieje materia/energia – to w końcu to samo – której jest dziewięćdziesiąt parę procent i o niej nic nie wiemy. Zupełnie nic nie wiemy. To jest naprawdę deprymujące.

K.G.: Pani mówi, że ciemna materia istnieje na pewno. A już zupełnie porzucone są te dyskusje, że może trzeba raczej zmienić teorię grawitacji?

B.B.: Ja bym skomentowała to tak: w fizyce pierwsze i ostatnie słowo ma eksperyment. I to jest nasze kryterium prawdy. Jest tak, nie inaczej. Jak na razie nie ma żadnych wskazówek na to, żeby trzeba było w jakikolwiek sposób zmieniać teorię grawitacji, teorię względności. Bo sprawdzają się one w tysiącach eksperymentów, tysiącach cech materii. Nie wydaje się, żeby gdziekolwiek była jakakolwiek wskazówka, że one są niesłuszne. Jeżeli będziemy mieć jakieś wskazówki, to my nie jesteśmy przywiązani do praw fizyki jak do dogmatów. Fizyka jest in statu nascendi zawsze. Przez wiele, wiele lat – pięćdziesiąt, sześćdziesiąt – uważaliśmy, że neutrina nie mają masy, a teraz od dwudziestu lat jesteśmy przekonani, że mają. Być może nie wszystkie, może malutką, ale jakąś mają. No i zmieniliśmy podręczniki, zmieniliśmy wykłady, zmieniliśmy odrobinę ten model standardowy, ale wszystko jest w porządku.

K.G.: Oczywiście to nie jest mój pomysł, o tym się dyskutuje. Tylko uzupełnię, bo może nie wszyscy pamiętają, że ciemna materia manifestuje się w takich skalach galaktycznych, tam ją zauważyliśmy. Gwiazdy w galaktykach zachowują się inaczej, niż powinny, biorąc pod uwagę tę materię.

B.B.: Rotują. Widma rotacyjne wskazują, że tam jest więcej materii. Ale dlaczego tam się manifestuje? Grawitacja w porównaniu z tymi oddziaływaniami, o których przed chwilą mówiłyśmy, kulombowskim oraz silnym, jest zaniedbywalnie mała. To jest mniej więcej o trzydzieści dziewięć zer mniej niż tamte oddziaływania. Dziesięć do minus trzydziestej dziewiątej oddziaływania silnego. Tak że tutaj żadnych efektów grawitacyjnych w fizyce cząstek właściwie się nie obserwuje i my o nich w ogóle zapominamy. To jest poza wszystkimi możliwościami dokładnych eksperymentów, więc trzeba uderzać do kosmologii.

K.G.: Proponuję, że w kolejnej części naszej rozmowy jeszcze wrócimy może do ciemnej materii – to jest zagadka. Natomiast teraz chciałabym, żeby pani opowiedziała o tym, co wiemy, jak ten mikrowszechświat w najmniejszych skalach jest zbudowany. Ja panią zapytałam o te oddziaływania wewnątrz protonu, oddziaływania silne, bo państwo je badają. Czego tam nie wiemy, jeśli o to chodzi?

B.B.: Nie wiemy tam bardzo wielu rzeczy. Z jednej strony jesteśmy bardzo dumni, bo wiemy masę rzeczy, ale z drugiej strony jesteśmy smutni, że bardzo wielu niestety nie wiemy. One są potwornie silne. I w szczególności istnieje teoria, która je opisuje – nazywa się chromodynamiką kwantową. Chromos to jest po grecku kolor, więc to jest jakaś dynamika koloru, ale znów nie koloru optycznego. To, że fizycy sobie nazwali, że kwarki są kolorowe, to znaczy, że są w trzech stanach A, B i C. Więc można by powiedzieć, że kwantowa dynamika trzech stanów A, B i C. My ją nazywamy chromodynamiką. Jak się okazuje, chromodynamika jest teorią, która działa na poziomie perturbacyjnym. Z powodów niezwykle trudnego aparatu matematycznego nie umiemy dokładnie rozwiązywać równań chromodynamiki. Więc robimy to krok po kroku, w przybliżeniu. Grube przybliżenie, potem dokładniejsze przybliżenie, jeszcze dokładniejsze, jeszcze dokładniejsze itd. To jest spory kłopot dlatego, że zawsze opisując jakieś procesy kwantowe oddziaływań silnych, musimy powiedzieć, na którym etapie przybliżenia podajemy wyniki. Zawsze to trzeba powiedzieć, ponieważ nie istnieje pełne rozwiązanie. Matematycznie nie istnieje, nie umiemy sformułować chromodynamiki inaczej niż w sposób perturbacyjny, zaburzeniowy, czyli wykonywać kolejnych przybliżeń. A eksperymenty są potwornie trudne dlatego, że rzeczywiście musimy rozszarpywać proton czy neutron. Rozszarpywać na kawałki i patrzeć, co tam w środku jest. O ile jak rozszarpiemy na kawałki jądro atomu, to zostaniemy z protonami i neutronami, takimi fizycznymi cząstkami, które możemy trzymać w pudełku, jeśli chcemy – w szczególności pudełko z protonem to jest wodór, z którego obrano elektrony – o tyle, jeśli rozszarpiemy proton, to nie otrzymujemy pojedynczych kwarków. Kwarki nie istnieją w stanie niezwiązanym.

Dobrym przykładem tutaj jest zawsze magnes – taki sztabkowy albo podkówkowy. Jak weźmiemy piłę i przetniemy sztabkowy magnes na dwie części, to każdy sobie myśli, że będzie miał osobno dwa bieguny – północny i południowy, niebieski i czerwony. Ale wiemy, że jak przetniemy ten magnes, to nie stanie się tak, że mamy osobne bieguny, tylko w momencie przecięcia znów powstanie para biegunów i dwa krótsze magnesy sztabkowe. I tak jest też tutaj – jeżeli chcę urwać jeden kwark, mogę to zrobić, mogę wymyślić reakcję, gdzie z potworną siłą rozdzieram proton na pojedyncze kwarki, ale jak wreszcie pęknie naprężenie pomiędzy jednym kwarkiem a resztą, to w tym pęknięciu znów się pojawi para – kwark i antykwark – tak jak biegun północny i południowy w przecinanym magnesie. Więc kwarki nie istnieją jako cząstki fizyczne, swobodne. Istnieją tylko w stanie związanym. No i od razu widać, jaki to jest kłopot. Cokolwiek byśmy nie robili, rozszarpujemy ten proton, głęboko w niego uderzamy, bardzo silnie go zderzamy z jakimś innym obiektem. Powstają inne obiekty elementarne i my po prostu w tych innych obiektach musimy próbować odnaleźć taki jakiś odblask, jakiś cień tych warunków, jakie panowały wewnątrz protonu. Więc i eksperyment jest trudny, i jego analiza.

K.G.: Ale to znaczy, że jak rozbijamy proton, to otrzymujemy kolejne mniejsze protony?

B.B.: Nie. Kolejne obiekty – mogą być i protony, czemu nie. Protony, antyprotony. W końcu Einstein powiedział, że energia i masa to jest to samo. Jak z ogromną energią zderzam np. elektron z protonem, jak takim punktowym elektronem uderzam w proton, żeby go rozbić na kawałeczki, to na końcu może mi powstać tysiąc nowych obiektów – w zależności od energii elektronu. Również protonów, antyprotonów, antymaterii, elektronów, antyelektronów, ciężkich elektronów, czegokolwiek. Takie są różne magiczne nazwy jak hiperony, bariony, mezony. Tego może powstać strasznie dużo. Patrząc na tę wiązkę, na ten strumień powstających obiektów, musimy z tego wyciągnąć informację o tym, jak było oryginalnie w protonie. To jest ogromnie trudne. I eksperymentalnie, i analiza tego jest ogromnie trudna. Między innymi dlatego te mikroskopy, które zaglądają w ten sposób do wnętrza protonu, są potworne. W COMPASS-ie detektor mieści się w hali, która ma chyba pięć, może sześć pięter, i on sam ma około sześćdziesięciu metrów. To jest wszystko wypełnione elektroniką, kablami, mniejszymi detektorami, magnesami. Potem dziesiątki kilometrów kabli wiodą informacje złapane przez elektronikę w tym detektorze do komputerów. I tam je opracowujemy, czasem latami, żeby się dowiedzieć, co jest w środku.

K.G.: Bo potrzebna jest tak duża energia, żeby rozbić te oddziaływania?

B.B.: Dokładnie, żeby rozszarpać te silne oddziaływania, żeby je przerwać. Ale wróćmy do tego magnesu, bo to jest szkolny przykład, ale całkiem niezły – otóż między tymi biegunami, północnym i południowym, istnieje jakieś oddziaływanie magnetyczne. Ja piłą przepiłowuję magnes sztabkowy na dwie części, przerywając te oddziaływania. Ale znów mi powstają dwa. Mogę przepiłowywać te kolejne dwa małe i znów mi powstanie cztery, osiem, dwieście tysięcy itd. To jest dokładnie to samo tutaj. Ja jakoś przerywam te oddziaływania, ale energii jest tyle – jeżeli jest tyle dostępnej – że powstają mi zupełnie nowe obiekty, które też mogą się składać z tych samych kwarków. Powstają pary, tak jak powstają pary biegunów w magnesie.

K.G.: A to jest energia z tego protonu?

B.B.: Powiedzmy dla ustalenia uwagi i dla uproszczenia, że proton jest w spoczynku. Rzucam w niego, biję go potwornie rozpędzonymi elektronami. I to one dostarczają tę energię, która rozszarpuje proton, i powoduje tworzenie się nowych obiektów.

K.G.: Tylko że jak pani mówi o magnesie, no to za każdym razem, jak utnę ten magnes, to wiem, co dostanę, a jak uderzam w proton tymi elektronami, to też za każdym razem dostaję to samo?

B.B.: Niekoniecznie. Dlatego, że tutaj sprawa jest prosta – wiem, że mam dwa bieguny i koniec. A na podstawie chromodynamiki kwantowej, która jest oparta na setkach doświadczeń, spodziewam się, co dostanę. Niemniej nawet przy tej samej energii i w tych samych warunkach doświadczalnych niekoniecznie dostanę to samo w stanie końcowym, bo mam więcej możliwości. W magnesach mam dwa bieguny i cześć. A tutaj takich obiektów mikroświata, które są albo stabilne, albo krótko żyjące mam kilkaset. Więc tych możliwości mam całą masę.

K.G.: No to w takim razie jak odtworzyć, czym jest ten proton, co jest w jego wnętrzu? Każdy proton jest taki sam?

B.B.: Wydaje się, że każdy proton jest taki sam, co nie znaczy, że gdyby zrobić jakimś sposobem fotografię jego wnętrza, to wszystkie fotografie by były identyczne. Dlatego, że tam jest ogromna dynamika. W środku protonu kwarki nie siedzą i nie patrzą na siebie czule, tylko powstają, są pochłaniane, powstają gluony, gluony są pochłaniane, kwarki-gluony, pary kwark-antykwark. Tam się strasznie dużo dzieje. To jest taki bulgocący kocioł i oczywiście mający w sobie pewną energię.

K.G.: W neutronach też się tyle dzieje?

B.B.: To jest dokładnie to samo. Neutron a proton to jest bardzo mała różnica. To jest właściwie to samo.

K.G.: To ciekawe. Rozumiem, że tylko kwestia ładunku?

B.B.: Tak, troszeczkę jest też różnica w masie. Czasem nawet obejmujemy je wspólną nazwą nukleony. Z punktu widzenia tych oddziaływań silnych to jest identyczne.

K.G.: A co robi gluon?

B.B.: Glue to po angielsku klej – tutaj znów mamy fantazję fizyków. To jest takie coś, co można powiedzieć, odpowiada za to silne wiązanie. To jest klej, który skleja.

K.G.: To jest klej czy cząstka?

B.B.: Gdyby pani zapytała, co jest klejem, który skleja atom, to odpowiedziałabym, że jest to taki specjalny rodzaj kleju, którego mamy masę w tym pokoju.  Mianowicie jest to rodzaj światła. Jest to kawałeczek światła, kupka światła, grudka światła zwana fotonem. Otóż oddziaływania elektromagnetyczne są przenoszone przez takie obiekty, które się nazywają fotonami, i to światło, które tu widzimy, to też są miliony fotonów o rozmaitej długości fali, bo widzimy tutaj kolory różnych obiektów. A czymś takim, takim odpowiednikiem w oddziaływaniach silnych jest gluon. On ma trochę inne własności niż foton. Oba obiekty są bezmasowe. No ale podstawowa różnica jest taka, że foton istnieje jako cząstka swobodna, a gluony nie. Gluony mogą być tylko zamknięte w jakimś układzie, który jest silnie związany.

K.G.: Wspomniała pani o tym wcześniej – dlaczego w zasadzie elektron nie spada na dodatnio naładowany proton?

B.B.: To są właśnie cuda mechaniki kwantowej, która jest zupełnie inna niż nasz świat codzienny. Pierwsza rzecz – jeżeli tak jest na poziomie mikroświata, to w jakim momencie to zaczyna być inne w porównaniu z naszym światem? Jak stłukę ten kubek na małe kawałeczki, potem na jeszcze mniejsze i na jeszcze mniejsze, to w którym momencie tych drobinek porcelany pojawi się świat kwantowy? To się nie dzieje nagle. W zasadzie można stosować prawa mechaniki kwantowej do naszego świata, który nas otacza, nie ma żadnego problemu – poza ciężką harówą matematyczną. To jest niepotrzebne szarpanie się. Takie sobie nasze zwykłe prawa oparte na zdrowym rozsądku świetnie tu działają. Nie ma żadnego powodu, żeby było inaczej. Wiemy, jak wygląda mechanika Newtonowska – ona bardzo dobrze działa, bo na jej zasadzie zbudowane są tutaj te biurka i te półki i na jej zasadzie lecimy w Kosmos. Tak że w dużych obiektach mechanika Newtonowska, zwana również klasyczną, działa bardzo dobrze. Wylądowaliśmy, gdzie chcieliśmy – na Księżycu. Widać, że jest wszystko okej. Powoli, powoli zaczynamy wchodzić, tak jak się wchodzi do lasu – na ogół to nie jest takie wejście bach, w środek puszczy, tylko najpierw pojedyncze drzewa, potem coraz gęściej, potem jeszcze krzewy, potem jakieś bajora, bagniska itd. – powoli się wchodzi w świat kwantowy. My mamy pewną cechę, którą sprawdzamy po to, żeby się przekonać, czy tu już bezpiecznie można stosować proste prawa fizyki klasycznej, czy należy już zagłębić się w fizykę kwantową. Ale to jest umowne.

K.G.: Myślę, że to jest ciekawe dla naszych słuchaczy, bo zwykle się o tym opowiada, że te światy są jakoś oddzielone – kwantowy i w skali makro. Tymczasem kwantowo można opisać cały Wszechświat, tylko to jest dużo roboty. Natomiast fizyka klasyczna kończy się w świecie kwantowym. Nie da się go opisać fizyką klasyczną.

B.B.: Nie da się, bo dostaje się bzdurne wyniki doświadczeń. Zupełnie nie da się ich wytłumaczyć klasycznie. Może ja jeszcze dodam jedną ciekawostkę. Otóż jest teraz takim gorącym tematem w nauce próba kwantowego opisu niektórych zjawisk w biologii, w szczególności w genetyce. Ale również słyszałam na wykładach profesora Jima Al-Khalili – to jest Anglik, który jest członkiem Royal Society, przepięknie wykłada, przepięknie popularyzuje, on się teraz troszeczkę zajmuje właśnie kwantami w biologii – że nawet nawigację ptaków migrujących próbuje się w tej chwili eksperymentalnie jakoś podpiąć pod efekty kwantowe. Słuchałam jego jednego wykładu, w którym mówił, że właśnie nawet orientację małych ptaszków być może lecących wzdłuż linii pola magnetycznego Ziemi, orientujących się po polu magnetycznym co do kierunku, gdzie lecieć, da się wytłumaczyć za pomocą pary elektronów splątanych gdzieś tam w siatkówce ich małych oczek.

K.G.: Mówi pani, że nie ma wyraźnej granicy między jednym a drugim światem, że to bardziej jest jak wkraczanie coraz głębiej w las, ale tak mniej więcej, to gdzie to jest?

B.B.: Może zacznę od końca. Otóż zapewne wszyscy wiedzą, że przy dużych prędkościach obiektów trzeba stosować tzw. równania fizyki relatywistycznej. Co to znaczy „duże”? Duże w porównaniu z prędkością światła. To jest taka skala absolutna we Wszechświecie. Co znaczy „duże w porównaniu”? To znaczy, zbliżające się do prędkości światła. Ale też można pytać: co to znaczy „zbliżające się”? Jeden procent? Dziesięć procent? To jest granica umowna zależna od tego, na jakiej dokładności opisu nam zależy. Oczywiście w życiu codziennym, jak pociąg jedzie np. sto pięćdziesiąt kilometrów na godzinę, to nie ma mowy o żadnej fizyce relatywistycznej.

K.G.: Ale nie ma mowy czy jest, tylko jej efekty są tak maleńkie?

B.B.: Tak, oczywiście. Dokładnie o to chodzi. Nie ma po co się szarpać z tą bardziej skomplikowaną matematyką, bo to nie jest potrzebne. Natomiast przy prędkościach naszych cząstek w eksperymencie nie ma możliwości stosowania równań klasycznych. Wszystko wychodzi źle. Podobnie jest z fizyką kwantową. Również mamy taką cechę. Badamy pewną wielkość charakterystyczną dla reakcji. Tak jak tam była prędkość obiektu, tak tutaj jest coś, co ma sens momentu pędu. Może jeszcze niektórzy z nas pamiętają ze szkoły – jest pęd i moment pędu to jest taka wielkość z nim związana. Jeśli ten moment pędu jest porównywalny do pewnej wartości granicznej, to wtedy stosujemy fizykę kwantową. No i znów pytanie: co znaczy „zbliża się”? To jest pięćdziesiąt procent czy jeden procent, czy pół procenta? Zależy od tego, na jakiej dokładności opisu nam zależy. Ale ogólnie, jeżeli człowiek się zbliża do atomu, to fizyka klasyczna już zupełnie daje złe wyniki.

K.G.: Ale nie poda mi pani takiej wielkości? Właśnie dziesięć do minus którejś.

B.B.: To jest taka wielkość, która jest zwana stałą Plancka – to jest dziesięć do minus trzydziestej czwartej dżula razy sekundę. Tego rzędu.

K.G.: Ale nie metra?

B.B.: Ale dżul to są metry. Dżul razy sekundę. Dżul to jest jednostka energii. To nie jest w metrach, bo to nie jest odległość. To jest moment pędu.

K.G.: Pani profesor, generalnie rozumiemy, po co są protony, neutrony, elektrony. One tworzą atomy, one tworzą nas. Jest okej. A ta cała reszta? Miony, taony?

B.B.: Ciągle nie wiemy. Bardzo często się mówi: kto zamawiał elektrony tau? Bo są trzy typy elektronów: elektrony e, mi, tau (36:55). My akurat eksperymentujemy z ciężkimi elektronami, czyli z mionami, bo są wygodniejsze w doświadczeniu. Kto to zamawiał, to trudno powiedzieć, ale są. I pojawiają się również naturalnie, bo niektóre z nich się pojawiają w rozpadach radioaktywnych. Mówi się: po co neutrina? Neutrina pojawiają się w rozpadach radioaktywnych typu beta. Przychodzą do nas z Kosmosu, bo tam mamy do czynienia również z rozpadami.

K.G.: Czyli my nie wiemy, czy one pełnią jakąś funkcję?

B.B.: Jeżeli są, to pełnią. Pani pyta o funkcję budowy, tak? Wchodzenia w skład?

K.G.: Trochę tak, no bo jak mówię, uczy się nas w szkole przede wszystkim o atomach, bo one nas budują. A jak sobie lata taki mion, trochę bezpański, to po co on jest? Albo co by się stało, jakby zniknął?

B.B.: Bardzo dobre pytanie. Rzeczywiście, do stworzenia, do budowy nas, materii dookoła wystarczy kwark u, kwark d – pomijam już te czułe nazwy – elektron i koniec. To nam wystarczy do budowy takiej bardzo grubo rozumianej budowy naszej materii. Ale widać, że tamte też są w naturze, bo natura to jest nie tylko budowa. To jest również destrukcja. Rozpad radioaktywny to jest w końcu rozpad, czyli destrukcja. I one się tam pojawiają. To znaczy, że destrukcja jest również inherentną cechą świata.

K.G.: A czym jest ta bardzo słynna cząstka – bozon Higgsa? I czy w ogóle jest cząstką?

B.B.: Tak, wydaje się, że tak. To jest trochę poza zakresem moich zainteresowań, bo ona nie wchodzi w oddziaływania silne. Teraz się właśnie mówi, że bardzo słynna – widzi pani, potęga reklamy. Mówi się, że ona bierze udział w mechanizmie nadawania masy. No bo dlaczego elektron czy proton ma taką masę, a nie inną – tego niestety nie wiemy. Natomiast chciałabym od razu powiedzieć, jak ważna jest ta nasza dziedzina oddziaływań silnych związana z chromodynamiką kwantową. Bo masa protonu tylko w malutkim procencie pochodzi z mechanizmu, za który odpowiedzialny jest bozon Higgsa. Procent, dwa czy trzy, to zależy.

K.G.: To skąd jest reszta?

B.B.: Reszta jest z oddziaływań silnych. Z kwarków, gluonów, z tej potwornej siły, która zlepia to wszystko. I tam Higgs nam jest w zasadzie niepotrzebny.

K.G.: A dlaczego cząstki zostały podzielone na fermiony i bozony? Czym są jedne, czym są drugie?

B.B.: Fermiony od Fermiego, bozony od Bosego – Hindusa. Fermi był Włochem, jak wiadomo. Dla uczczenia ich. To również jest związane z mechaniką kwantową. Otóż w kwantach występują arcyciekawe zjawiska i cechy tych obiektów. Jedną z tych cech jest spin – po angielsku „kręcić się”. To rzeczywiście ma coś wspólnego z jakąś dynamiką kręcenia się. Tylko że w kwantach nic nie jest proste i nic nie działa tak, jak nasz zdrowy rozsądek. Proszę od razu nie protestować – spin to jest taki rodzaj dynamiki, taki rodzaj momentu pędu, który cechuje obiekt, nawet kiedy on jest w stanie spoczynku. No nie, to jest zaprzeczenie, prawda?

K.G.: Wiem, ale czekam, bo mówi pani, że mam na razie nie protestować. [śmiech]

B.B.: Tu można od razu krzyczeć: jak to? Jak w stanie spoczynku, no to jest w stanie spoczynku i się nie rusza. A tu właśnie taki jest efekt kwantowy, że istnieje pewien rodzaj dynamiki. To nie jest kręcenie, ponieważ spin charakteryzuje również cząstki punktowe, czyli elektron. I trudno powiedzieć, że cząstka punktowa się kręci wokół własnej osi, bo nie ma przez co tej osi przeprowadzić. Ona jest punktem. A jednak elektron, nawet taki, który spoczywa, charakteryzuje się pewną dynamiką i, jak my na to mówimy, pewnym spinem. I teraz w mechanice kwantowej, w tym świecie kwantów okazuje się, że ten spin może przyjmować tylko dwie wartości. W makroświecie najlepszym przykładem jest łyżwiarz na lodowisku, który wykonuje piruet. Łyżwiarka, łyżwiarz wykonują piruet wokół własnej osi. Oni mają typowy moment pędu w wyniku kręcenia się wokół własnej osi. Otóż te małe obiekty też mają taki swój własny moment pędu, którego nie sposób im odebrać, który nazywamy spinem. Okazuje się, że ten spin może przyjmować tylko dwie wartości – całkowitą i połówkową pewnej podstawowej wartości. Te, które mają te wartości całkowite, nazywamy bozonami, a te, które mają połówkową, fermionami. Nie jest to tylko takie gadanie, że mam tutaj czerwoną książkę, zieloną książkę i mam już dwie klasy książek – nie. Ale okazuje się, że różnica między tymi dwiema klasami jest przeogromna. Mianowicie wszystkie cząstki, które nas tworzą – elektrony, protony, neutrony, nasze atomy – są fermionami. A wszystkie cząstki, które są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań, są bozonami.

W kwantach jest bardzo śmieszna historia. Otóż bozonów, a więc gluonów, fotonów mogę napchać do ograniczonej przestrzeni, ile tylko chcę. Fermionów nie. I tu jest odpowiedź na często zadawane pytanie: dlaczego tak jest, że atomy, które w końcu są pustką – właściwie cała ich masa tkwi w jądrze, bo masa elektronów jest malutka, a elektrony gdzieś tam sobie latają na zewnątrz, czyli między jądrem a elektronem jest pustka – nie przechodzą jedne przez drugie? Dlaczego moja ręka nie przejdzie jedna przez drugą? Dlaczego książka się trzyma na stole, a nie przepłynie przez stół? Dlatego, że fizyka fermionów mówi, że tych fermionów w określonych stadach może być tylko tyle, a nie więcej. Jeżeli pani ma taką sytuację, że powiedzmy, w najprostszym atomie wodoru mamy tylko proton, a elektron na zewnątrz, to ten elektron może być wszędzie, ale najbardziej prawdopodobne jest, że będzie tu, a nie tam. I jak pani zechce ten elektron przesunąć trochę bliżej jądra, żeby on częściej był bliżej jądra, to się to pani nie uda. Żadną metodą. Jakbym chciała dorzucić jeszcze więcej elektronów tam, gdzie ja chcę, to też mi się to nie uda. One mogą być tylko w określonych stanach. Tych, a nie innych. A przechodzenie przedmiotu jeden przez drugi to by było dopychanie blisko siebie większej liczby elektronów, większej liczby jąder atomowych itd.

K.G.: Przypomnijmy, jaka jest ta skala w atomie. Gdyby jądro było np. piłką do golfa i posadzilibyśmy je na stadionie, to gdzie lata elektron? Gdzieś po publiczności?

B.B.: Ja mogę powiedzieć tyle, że jeżeli jądro jest czereśnią – to jest mniej więcej centymetr – to elektron byłby, średnio rzecz biorąc, najczęściej w odległości kilometra czy coś takiego. Tak że to jest niewiarygodna pustka.

K.G.: Tak. I mimo tego, że ta pustka właśnie tak wygląda, nie da się wepchnąć tego innego elektronu.

B.B.: Nie da się wepchnąć inaczej, niż przewidują to prawa zachowania fizyki fermionów, tzw. statystyki fermionów. I koniec. Na tym polega cud mechaniki kwantowej, że ona jakoś tak w każdym swoim aspekcie przeczy tym naszym zdroworozsądkowym wyobrażeniom. Bo zdrowy rozsądek jest jak u tych dzikich ludzi, uformowany przez wodę i skałę, a tu chodzi też o inne materiały.

K.G.: Pamięta pani swój proces przełamywania własnego zdrowego rozsądku, takiego makrozdrowego rozsądku i wchodzenia w ten świat mechaniki kwantowej? Jak to było za pani młodości, jako studentki czy może już naukowczyni?

B.B.: Człowiek zawsze się zderza ze ścianą. To nie jest tak, że wszyscy wszystko świetnie rozumiemy. Do pewnych rzeczy się trzeba przyzwyczaić i koniec. Najlepsza metoda przyzwyczajania to mówić tym samym językiem, czyli używać matematyki. Po prostu, zwyczajnie. Człowiek jest uczony na naszych studiach, że językiem fizyki jest matematyka. Nie ma co opowiadać, wszyscy lubimy poezję, ale w wypadku fizyki wodolejstwo jest niedopuszczalne. Jest tak, a nie inaczej. Napisz równanie, będzie wiadomo, co masz na myśli.

K.G.: Ale miała pani takie momenty frustracji?

B.B.: Nie, mnie się zawsze to wydawało fascynujące. Bo trzeba pamiętać o jednej rzeczy i stale sobie to powtarzać: że w fizyce kryterium prawdy, a więc prawdziwości jest doświadczenie. A mechanika kwantowa niezależnie od tego, że jest taka „dzika”, to działa. W końcu ten nasz mikrofon działa na tej zasadzie. Telefon komórkowy, komputer, rezonans magnetyczny, na który kieruje nas lekarz. To wszystko jest fizyka kwantowa i wyraźnie to działa.

K.G.: Dużo pani mówi o doświadczeniu właśnie jako o tym kryterium prawdy, wielokrotnych doświadczeniach itd., a fizyka cząstek elementarnych przewiduje właśnie istnienie różnych cząstek, których nijak czasami nie udaje się znaleźć. Cząstki supersymetryczne, cząstki ciemnej materii, której nie udaje nam się znaleźć. Niektórzy mówią o kryzysie, twierdząc brutalnie, że wymyślają sobie państwo cząstkę. To ja postuluję, że jest jakaś cząstka. Dawajcie mi tutaj wielki eksperyment, będziemy jej szukać. Nie znalazłam? No to widocznie ona jeszcze trochę mniej oddziałuje albo potrzebuje jeszcze trochę więcej energii itd. Jak się pani odniesie do tych zarzutów?

B.B.: Tak jak już powiedziałam, w fizyce nie ma dogmatów. Na przykład uczy się młodzież w szkole, że takim strasznie ważnym prawem jest prawo zachowania energii. Święta sprawa. Jest święta z pewnym zastrzeżeniem. Fizyk formułuje prawa zachowania energii w następujący sposób: dzisiaj z dokładnością taką i taką zachowuje się pewien skalar, który nazywamy energią. I w tej definicji zawarte jest to, że być może jutro ktoś wpadnie na pomysł, żeby wykonać taki eksperyment, który pokaże, że jednak czasem energia zachowana nie jest. Naprawdę, fizycy stale tego szukają. Na przykład doświadczenie wydaje się mówić rzecz niezwykle tajemniczą, że ładunek protonu i elektronu jest taki sam, tyle że się różni znakiem. Ale absolutnie taki sam. Dlaczego? Przecież to jest wielkie misterium, cud Wszechświata. Dlaczego? I my stale szukamy doświadczalnie zaprzeczenia tego. Szukamy różnic. Bardzo duża część naszej aktywności jest poświęcona czemuś takiemu – szukanie czegoś wykraczającego poza model standardowy, poza to zrozumienie. Na przykład to poszukiwanie cząstek, o którym pani mówi, to jest bardzo często właśnie szukanie obiektów – mówi się: beyond Standard Model – BSM. W czym pracujesz? W BSM. Szukam czegoś.

K.G.: Ale to jest czysta ciekawość czy my tego potrzebujemy?

B.B.: Nie rozumiemy natury ciemnej materii, a jeszcze mniej ciemnej energii. No więc szukamy tak, jak umiemy. Dotąd widzimy obiekty takie i owakie, no to może jakiegoś podobnego szukamy. W tym sensie potrzebujemy, że jak nie rozumiemy, no to tonący brzytwy się chwyta. I to jest tylko tyle. Ale jak dotąd na razie wydaje się, że model standardowy trzyma się świetnie. Cząstek supersymetrycznych nie ma.

K.G.: Nie ma i nie będzie?

B.B.: Nie wiemy, czy nie będzie. Fizyk nigdy nie mówi, że nie będzie. Dzisiaj nie ma wskazówek na ich istnienie.

K.G.: A co robicie w AMBER?

B.B.: To jest taki wykwit COMPASS-u. Chcemy iść dalej z nowymi pomysłami, które powstały w czasie naszych pomiarów i analizy wyników COMPASS-u. Ale AMBER przede wszystkim ma zupełnie inny pierwszy cel. Otóż ciągle w fizyce powtarza się taka sytuacja, że nawet jeśli coś wiemy, i to bardzo dobrze wiemy, to po jakimś czasie zaczynamy mieć wątpliwości, bo inne doświadczenia pokazują być może niekoniecznie to samo itd. Tak świetnie znana cząstka, jak proton, która tworzy Wszechświat, która tworzy nas, która tworzy wszystko, bez niej nic – nagle się okazuje, że ma kłopoty na różnych polach. COMPASS przede wszystkim działając w obszarze oddziaływań silnych, zajmował się spinem protonu, tą cechą kwantową. AMBER ma to kontynuować, ale okazuje się, że proton ma nie tylko problemy ze spinem. Ma również problemy ze swoją masą i ze swoim promieniem. Okazuje się, że w różnego typu podejściach eksperymentalnych wychodzi istotna różnica w promieniu protonu. I dotąd ludzie nie zwracali na to uwagi dlatego, że doświadczenia miewały duże niepewności eksperymentalne. W granicach niepewności ten promień był zawsze taki sam, mniej więcej osiem dziesiątych femtometra, czyli około dziesięciu do minus piętnastej metra. Wszędzie z grubsza tyle samo. Ale jak się pojawiły dokładne doświadczenia, to się okazało, że dzielą się one na dwie bardzo istotnie rozdzielone między sobą grupy poza niepewnościami eksperymentalnymi. I te dwie grupy doświadczeń dają dwa różne promienie protonu. Sytuacja jest dość patowa, bo ludzie powtarzają swoje typy doświadczeń, dostają te same wyniki, wydaje się, że ta różnica jest. No i skąd się bierze? Otóż wydaje się, że brakuje jeszcze jednego typu doświadczenia, które może tu mieć ostatnie słowo. I to doświadczenie to będzie właśnie pierwszy cel AMBER. My już w grudniu zebraliśmy pewne dane testowe, pewne pomiary. Teraz je opracowujemy. W momencie, kiedy ruszą akceleratory w CERN-ie, również nasze doświadczenie, które nie jest ustawiane na LHC, ale na akceleratorze SPS, czyli Super Proton Synchrotron, będziemy kontynuować tu pomiary. Wydaje się, że tylko AMBER może odpowiedzieć ostatecznie na to pytanie. Na razie nikt nie ma lepszego pomysłu niż ten nasz. I to chyba będzie ostatnie słowo w tej materii. Jak nie będzie, no to cóż, czekamy na nowe pomysły.

K.G.: Pani profesor, na koniec: fizyków cząstek jest wielu. Pracujecie w dużych zespołach. Jak to się robi, żeby się dogadać z tym wszystkim, jakoś to ogarnąć? Chyba to jest dużo roboty, także takiej organizacyjnej.

B.B.: Ogromnie dużo. Ja nie jestem w LHC, gdzie są zespoły liczące trzy i cztery tysiące fizyków, dla mnie to by było nie do wytrzymania. Nasz eksperyment, nasza współpraca jest malutka na skali CERN-u – dwieście pięćdziesiąt osób z całego świata. I to działa. Przede wszystkim aparatura jest ogromna. Poczynając od zestawiania aparatury, testowania, potem wykonywania pomiarów, każdy ma przypisany sobie mały kawałeczek aparatury, instrumentu, za który jest odpowiedzialny. No ale potem ktoś jeszcze musi obejmować to z góry i „organizować” współpracę między częściami detektora, żeby komputery w tym samym czasie otrzymywały wszystkie informacje dotyczące danego pomiaru naraz. No a po nagraniu tych wszystkich pomiarów na dyski zaczyna się bardzo żmudna, wieloletnia analiza tego. I w analizie również, czy to laboratoria, czy to grupy, czy pojedyncze osoby mają poprzypisywane sobie odpowiedzialności w tym.

K.G.: Tak siedzicie na tych ZOOM-ach po dwieście osób? [śmiech]

B.B.: ZOOM jest wymysłem COVID-a. Przedtem również istniały metody zdalnego porozumiewania się, zwłaszcza w CERN-ie. To było dawno rozwinięte. Ale powiedziałabym, że nieakceptowane w takim stopniu, jak jest akceptowane teraz. Jednak zebrania w CERN-ie to były na ogół zebrania wprost, wszyscy przyjeżdżali. To było cudowne, można było nareszcie rzeczywiście wykłócić się o każdy detal analizy, pokazać swoje wyniki, przetestować, skorygować, sprawdzić z innymi. Teraz się to robi głównie przez ZOOM-a, co jest fatalne w moim przekonaniu, ale wracając do pani oryginalnego pytania, te eksperymenty są również wielkimi eksperymentami socjologicznymi. Bo czasem porozumienie się ponad kulturami jest trudne, ale jedna rzecz jest oczywista – wspólny język, którym się posługujemy: matematyka. Nie umiesz nawet wydukać po angielsku, to napisz wzór i pokaż diagram. Więcej nie musisz mówić. Oczywiście językiem roboczym jest język angielski, ale jak mówię, przede wszystkim to identyczne podejście. Każdy umie tę samą mechanikę kwantową i matematykę. Programujemy mniej więcej w tym samym zakresie naszych możliwości, umiemy te same języki, te same systemy, używamy tych samych pakietów. Ale oczywiście jedną sprawą jest praca, a zupełnie inną jest życie towarzyskie, które jest też bardzo ważne. I tu można oczywiście opowiadać różne historyjki, z kim jest lepiej pracować, a z kim jest lepiej pójść wieczorem na pizzę.

K.G.: Jeśli chodzi o kulturę, tak?

B.B.: Tak. Bo niewątpliwie są nacje, które są wyjątkowo gadatliwe i takie, które… Nie będę ich nazywać, ale mamy kolegę, wielkiego eksperta, który nie wiem, czy w ogóle w całym swoim życiu wypowiedział sto słów. Na zebraniu, jeżeli się go zapyta o komentarz, to on kiwa głową, potem się waha, potem rozkłada ręce, potem znów kiwa głową. Ta wypowiedź to już jest długa wypowiedź naszego kolegi i z tego wynika, że aprobuje. Ani słowa. Niewątpliwie świetnie się z nim pracuje, ale mogą być kłopoty, kiedy się idzie na pizzę. [śmiech]

K.G.: To faktycznie eksperyment socjologiczny. [śmiech]

B.B.: Tak. Ale to jest bardzo ciekawe. Powiem tutaj jeszcze jedną ciekawostkę co do tej umiejętności współpracy z dużym zespołem, kiedy czasem trzeba schować urazy do kieszeni, nie złościć się i nie denerwować, że ktoś może wolniej rozumie, a ktoś za dużo wie w stosunku do mnie. Trzeba się nauczyć tego współżycia w gromadzie. I efekty tego są czasem bardzo dziwne. Mam kolegę w Szwecji, który robił doktorat w CERN-ie w dużej współpracy, a potem chciał zostać astronautą i polecieć na międzynarodową stację kosmiczną. Kiedy startował do konkursu – to był konkurs NASA – to oczywiście były tam tysiące kandydatów i on się natychmiast znalazł na krótkiej liście, bo było powiedziane, że jeżeli pracował w CERN-ie, to już to potrafi. A teraz nasz kolega Polak, który też pracuje w CERN-ie, jest na krótkiej liście rezerwowej ESA, która też rozpisała konkurs na następną załogę ISS. Tak że to bardzo pomaga – umiejętność współpracy z różnymi charakterami i nacjami.

K.G.: A zdarza się, że pani jeszcze czasami czegoś nie rozumie?

B.B.: Ojej, proszę pani. Fizyka to jest głównie nierozumienie. Ale na tym polega jej urok.

K.G.: Pani profesor Barbara Badełek znalazła czas dla Radia Naukowego. Dziękuję serdecznie, pani profesor.

B.B.: Dziękuję bardzo i bardzo wszystkich zachęcam do fizyki, bo to jest to jedyne doświadczenie w życiu, które się chyba nikomu nie nudzi, i zawsze daje radość i satysfakcję.

Dodane:
1,4 tys.
Prof. Barbara Badełek

Prof. Barbara Badełek

Od czasów studiów jest związana z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Pracowała wiele lat również w Szwecji, na Uniwersytecie w Uppsali, gdzie uzyskała niezależną profesurę. Uczestniczy w zespołach badawczych w CERN, aktualnie w międzynarodowych współpracach COMPASS i AMBER, zajmujących się badaniem struktury protonu.

Obserwuj Radio Naukowe

Ulubione

Skip to content