nauki ścisłe
Autor: Abhay Deshpande i Rikutaro Yoshida | dodano: 2019-06-26
W głębiny atomu

Jakie są źródła masy oraz spinu protonów i neutronów? Wciąż nie znamy odpowiedzi na to pytanie. Nowy akcelerator pozwoli zajrzeć do wnętrza tych cząstek i ją znaleźć.

Widzialny wszechświat zawiera około 1053 kg zwykłej materii, przede wszystkim w postaci 1080 protonów i neutronów, które wraz z elektronami tworzą atomy. Skąd jednak bierze się masa protonów i neutronów?

Okazuje się, że odpowiedź wcale nie jest prosta. Protony i neutrony są zbudowane z cząstek zwanych kwarkami spajanych za pomocą gluonów. Gluony są cząstkami bezmasowymi, a suma mas kwarków wewnątrz protonu lub neutronu (zwanych razem nukleonami) daje razem niespełna 1%  całkowitej masy nukleonu. Skąd więc pochodzi pozostała masa?

To nie jedyna tajemnica tych podstawowych składników atomów. Tak samo nie potrafimy wytłumaczyć pochodzenia spinu nukleonu – nie da się go objaśnić za pomocą spinu kwarków. Obecnie naukowcy uważają, że spin, masa i inne właściwości nukleonów to wynik skomplikowanych oddziaływań kwarków i gluonów, których dokładny mechanizm nie jest znany. Oddziaływania te są opisywane przez teorię zwaną chromodynamiką kwantową (QCD – quantum chromodynamics), która prowadzi do tak skomplikowanych obliczeń, że na razie nie potrafimy z niej wyciągnąć idących dalej wniosków.

Aby uczynić krok naprzód, potrzebujemy nowych danych eksperymentalnych. I to jest zadanie dla Zderzacza Elektronowo-Jonowego (EIC –Electron-Ion Collider). W odróżnieniu od innych urządzeń do rozbijania cząstek, jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN koło Genewy czy Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów (RHIC) w Stanach Zjednoczonych, w których obserwuje się zderzenia złożonych cząstek, jak protony i jony, w EIC będziemy badać zderzenia elektronów, które nie mają struktury wewnętrznej, z protonami i neutronami. Liczymy, że dzięki temu układ spełni funkcję mikroskopu, który po raz pierwszy pozwoli zaobserwować strukturę wewnętrzną nukleonów.

EIC zajmuje miejsce na szczycie listy priorytetów badaczy jądrowych w Stanach Zjednoczonych. Jeżeli projekt jego budowy zostanie ostatecznie zaaprobowany, to zderzacz powstanie w jednym z dwóch amerykańskich laboratoriów, Brookhaven National Laboratory na wyspie Long Island lub w Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) w Newport News w Wirginii, i rozpocznie pracę około roku 2030. Urządzenie pozwoli badać, jak masy i spiny pojedynczych kwarków i gluonów współgrają z energią ich ruchu kolektywnego, dając obserwowane wartości masy i spinu protonu oraz neutronu. Zderzacz pomoże również w znalezieniu odpowiedzi na inne pytania, na przykład czy kwarki i gluony wewnątrz nukleonów łączą się w grupy, czy może są rozłożone równomiernie, jak szybko się poruszają i jak oddziaływania między nimi wpływają na wiązanie nukleonów w jądrze. EIC powinien dostarczyć bezcennych informacji o tym, jak oddziałują ze sobą podstawowe składniki materii, tworząc widzialny Wszechświat. W 50 lat od odkrycia kwarków jesteśmy u progu rozwikłania ich tajemnic.

 

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 07/2019 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
07/2019
10/2018 - specjalny
Kalendarium
Lipiec
17
W 1975 r. na orbicie okołoziemskiej doszło do połączenia amerykańskiego statku kosmicznego Apollo z radzieckim Sojuzem.
Warto przeczytać
"Nie jestem aniołem i nie będę nim, dopóki umrę. Będę sobą" - mawiała angielska poetka i pisarka Charlotte Brontë. Pod tą frazą mogłyby się podpisać bohaterki tej książki. Wybrały cel i przez całe życie uparcie do niego dążyły. Celem tym była wolność i niezależność.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Abhay Deshpande i Rikutaro Yoshida | dodano: 2019-06-26
W głębiny atomu

Jakie są źródła masy oraz spinu protonów i neutronów? Wciąż nie znamy odpowiedzi na to pytanie. Nowy akcelerator pozwoli zajrzeć do wnętrza tych cząstek i ją znaleźć.

Widzialny wszechświat zawiera około 1053 kg zwykłej materii, przede wszystkim w postaci 1080 protonów i neutronów, które wraz z elektronami tworzą atomy. Skąd jednak bierze się masa protonów i neutronów?

Okazuje się, że odpowiedź wcale nie jest prosta. Protony i neutrony są zbudowane z cząstek zwanych kwarkami spajanych za pomocą gluonów. Gluony są cząstkami bezmasowymi, a suma mas kwarków wewnątrz protonu lub neutronu (zwanych razem nukleonami) daje razem niespełna 1%  całkowitej masy nukleonu. Skąd więc pochodzi pozostała masa?

To nie jedyna tajemnica tych podstawowych składników atomów. Tak samo nie potrafimy wytłumaczyć pochodzenia spinu nukleonu – nie da się go objaśnić za pomocą spinu kwarków. Obecnie naukowcy uważają, że spin, masa i inne właściwości nukleonów to wynik skomplikowanych oddziaływań kwarków i gluonów, których dokładny mechanizm nie jest znany. Oddziaływania te są opisywane przez teorię zwaną chromodynamiką kwantową (QCD – quantum chromodynamics), która prowadzi do tak skomplikowanych obliczeń, że na razie nie potrafimy z niej wyciągnąć idących dalej wniosków.

Aby uczynić krok naprzód, potrzebujemy nowych danych eksperymentalnych. I to jest zadanie dla Zderzacza Elektronowo-Jonowego (EIC –Electron-Ion Collider). W odróżnieniu od innych urządzeń do rozbijania cząstek, jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN koło Genewy czy Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów (RHIC) w Stanach Zjednoczonych, w których obserwuje się zderzenia złożonych cząstek, jak protony i jony, w EIC będziemy badać zderzenia elektronów, które nie mają struktury wewnętrznej, z protonami i neutronami. Liczymy, że dzięki temu układ spełni funkcję mikroskopu, który po raz pierwszy pozwoli zaobserwować strukturę wewnętrzną nukleonów.

EIC zajmuje miejsce na szczycie listy priorytetów badaczy jądrowych w Stanach Zjednoczonych. Jeżeli projekt jego budowy zostanie ostatecznie zaaprobowany, to zderzacz powstanie w jednym z dwóch amerykańskich laboratoriów, Brookhaven National Laboratory na wyspie Long Island lub w Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) w Newport News w Wirginii, i rozpocznie pracę około roku 2030. Urządzenie pozwoli badać, jak masy i spiny pojedynczych kwarków i gluonów współgrają z energią ich ruchu kolektywnego, dając obserwowane wartości masy i spinu protonu oraz neutronu. Zderzacz pomoże również w znalezieniu odpowiedzi na inne pytania, na przykład czy kwarki i gluony wewnątrz nukleonów łączą się w grupy, czy może są rozłożone równomiernie, jak szybko się poruszają i jak oddziaływania między nimi wpływają na wiązanie nukleonów w jądrze. EIC powinien dostarczyć bezcennych informacji o tym, jak oddziałują ze sobą podstawowe składniki materii, tworząc widzialny Wszechświat. W 50 lat od odkrycia kwarków jesteśmy u progu rozwikłania ich tajemnic.