Twoja wyszukiwarka

HELENA BIAŁKOWSKA
AKCELERATOR KOŃCA ŚWIATA?
Wiedza i Życie nr 4/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/2000

Przełom wieków, a nawet milenium, sprzyja złowieszczym prognozom. Nie omijają one nawet fizyki, tak odpornej przecież na apokaliptyczne wizje.

W Brookhaven National Laboratory (USA) uruchamiany jest obecnie (z niewielkim opóźnieniem, bo miał zacząć działać już jesienią 1999 roku) najpotężniejszy zderzacz relatywistycznych jonów na świecie tzw. RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Będą się w nim zderzać przeciwbieżne wiązki całkowicie zjonizowanych jąder złota, przyspieszone do energii 100 GeV na nukleon, co w sumie da 19 700 GeV. Ta przeciwbieżność ma wielkie znaczenie: gdy cząstki zderzają się "łeb w łeb", energia w ich środku masy sumuje się, a więc wynosi 200 GeV na nukleon. W zderzeniu wiązki z tarczą stacjonarną energia w układzie środka masy jest znacznie mniejsza i np. w akceleratorze SPS w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek (CERN) w Genewie, gdzie wiązki przyspieszane są do 160 GeV na nukleon, wynosi ona zaledwie 17 GeV na nukleon.

Głównym celem planowanych w Brookhaven eksperymentów jest uzyskanie nowego stanu materii plazmy kwarkowo-gluonowej. Tymczasem niektórzy fizycy, a w ślad za nimi dziennikarze i opinia publiczna, zaczęli wyrażać obawy, że akcelerator ten, ni mniej ni więcej, tylko zniszczy nasz świat.

John Marburger, dyrektor wspomnianego laboratorium, jako pragmatyczny Amerykanin zamówił więc u grona poważnych specjalistów z dziedziny fizyki wysokich energii szczegółowy raport na temat potencjalnych zagrożeń takimi eksperymentami. Raport opracowany przez Witolda Buszę, Roberta L. Jaffe'ego, Jacka Sandweissa i Franka Wilczka (jak widać - i tam sięga polska "mafia" fizyków) starannie analizuje, zarówno na gruncie istniejących danych doświadczalnych, jak i argumentów teoretycznych, wszystkie wymieniane przez oponentów scenariusze katastrofy.

Jakież to scenariusze? Potencjalne zagrożenia wiązano z trzema zjawiskami:

  • Możliwością utworzenia czarnej dziury lub osobliwości grawitacyjnej, która "karmiąc się" zwykłą materią, pochłonie całą Ziemię;
  • wyzwoleniem przejścia do niższego stanu próżni;
  • wytworzeniem trwałego "dziwadełka" (ang. strangelet), zasysającego zwykłą materię i też zagrażającego istnieniu naszej planety.

Wiele zaniepokojenia wywoływało błędne rozumienie całkowitej energii i gęstości energii, które będą osiągane w akceleratorze RHIC. Niewątpliwie, całkowita energia zderzeń przeciwbieżnych wiązek złożonych z jąder złota będzie tam większa niż w jakimkolwiek istniejącym akceleratorze. Mówimy tu o energii w układzie środka masy zderzających się obiektów. Ale to nie ona decyduje o możliwości wystąpienia ewentualnych nowych zjawisk.

Jak piszą autorzy raportu, pierwszy lepszy baseballista uderzający kijem w piłkę dokonuje eksperymentu o znacznie większej energii niż w jakimkolwiek akceleratorze. Dużo ważniejsza jest gęstość energii, czyli jej koncentracja w małej przestrzeni, a także energia w środku masy elementarnych składników zderzających sięcząstek, czyli kwarków i gluonów. W działających od lat akceleratorach Tevatron (w Laboratorium Fermiego, koło Chicago) i LEP (w CERN) energie zderzających się elementarnych składników są znacznie wyższe niż w RHIC.

Przejdźmy zatem do pierwszego potencjalnego zagrożenia. O co chodzi z tymi czarnymi dziurami? Przypomnijmy: czarna dziura jest obiektem tak gęstym, że promień światła wysłany z niej zakrzywia się na skutek przyciągania grawitacyjnego tak znacznie, że nie może jej opuścić. I żaden "zwykły" sygnał nigdy czarnej dziury nie opuści.

Jakie są to gęstości? Decyduje tu parametr k, wyznaczany przez masę i promień rozpatrywanego obiektu. Gdy k zmierza do jedności - mamy czarną dziurę, czyli potencjalne zagrożenie zapadnięcia się obiektu do środka zwane kolapsem grawitacyjnym. Aby oszacować wartość k dla zderzeń w RHIC, autorzy raportu przyjmują, że cała energia zderzenia zostanie skoncentrowana w obszarze o rozmiarach zderzających się jąder, i to "ściśniętych" ze względu na skrócenie Lorentza, wszak poruszają się one z prędkością bliską prędkości światła. (W teorii względności obiekty poruszające się z taką prędkością zmniejszają swoje rozmiary liniowe). Wtedy otrzymujemy wartość k rzędu 10-22. Dość daleko do jedynki, nieprawda?

A jak rzecz się ma z "nową próżnią"? W świecie fizyki pusta przestrzeń, czyli to, co zwyczajowo nazywamy próżnią, jest ośrodkiem o bardzo złożonej strukturze, występującym w różnych stanach (coś jak stany skupienia). Niektórzy teoretycy twierdzą, że nasza próżnia jest nietrwała, toteż odpowiednio silne zaburzenie może spowodować gwałtowne jej przejście do innego stanu - "innej próżni". Zaburzenie takie rozchodziłoby się z prędkością światła i wkrótce ogarnęło cały Wszechświat. Nie ma ścisłych ocen teoretycznych gęstości energii niezbędnej do uruchomienia takiego procesu. Możemy jednak odwołać się do doświadczenia. A to od lat pozwala nam badać skutki zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego, zwanego żartobliwie przez fizyków "akceleratorem ubogich" - wszak wszyscy i wszędzie mogą zeń korzystać. Promieniowanie to dociera do nas nieustannie. Wśród jego składników są m.in. protony i cięższe jądra.

Badanie składu promieniowania oraz jego intensywności i widma energii pozwala dokonać pewnych oszacowań. Wynika z nich, że liczba zderzeń jąder złota z jądrami złota o energiach powyżej 100 GeV/nukleon (taka właśnie jest planowana energia wiązek w RHIC), jakie miały miejsce w historii naszego Wszechświata, znacznie przewyższa całkowitą liczbę zderzeń, do których dojdzie w RHIC. Innymi słowy - gdyby takie zderzenia miały powodować "przejście fazowe do innej próżni", to już by się to dawno stało bez naszego udziału.

Może najwięcej zainteresowania - i obaw - wzbudza scenariusz z "dziwadełkami". Tu pozwolę sobie zatem na nieco dokładniejszy opis zagadnienia. Zacznijmy od tego, o czym wie już każdy licealista, że materia składa się z pierwiastków, a pierwiastki z elektronów i jąder, a jądra z protonów i neutronów. No właśnie, a protony i neutrony - z kwarków. Taka zwykła materia składa się z lekkich kwarków, tzw. dolnych i górnych. Kwarki są uwięzione w nukleonach (protony i neutrony) i innych cząstkach elementarnych - w zwykłych warunkach nie mogą się z nich wydostać. Każda zainteresowana fizyką licealistka wie też zapewne, że istnieją również inne kwarki - dziwne, powabne, piękne i prawdziwe. Kwarki dziwne są trochę cięższe od górnych i dolnych. Są składnikami tzw. cząstek dziwnych. Są to cząstki nietrwałe, powstające w oddziaływaniach silnych, czyli jądrowych, a rozpadające się w oddziaływaniach słabych odpowiadających np. za rozpady beta jąder promieniotwórczych.

Istnieją teorie, w myśl których oprócz naszej zwykłej materii może też istnieć materia dziwna, zawierająca wiele dziwnych kwarków. I to nie tylko istnieć, ale charakteryzować się większą stabilnością. Hipotetyczne niewielkie kawałki dziwnej materii, o masach atomowych zbliżonych do zwykłych jąder, nazwano dziwadełkami. Gdyby takie dziwadełka, trwałe lub chociaż metatrwałe, i to ujemnie naładowane, mogły powstawać w zderzeniach jądrowych wysokich energii, doprowadziłoby to do katastrofy kosmicznej. Dziwadełko bowiem pożerałoby dosłownie wszelkie napotykane dodatnie jądra atomowe zwykłej materii i w krótkim czasie połknęło naszą planetę, czyniąc z niej coś w rodzaju eksplodującej supernowej.

Jak przebiegałaby taka katastrofa? Powiedzmy, że w zderzeniu jądrowym powstało jedno jedyne dziwadełko, ujemnie naładowane, i że udało mu się przeżyć co najmniej 10-8 s (tyle mniej więcej czasu mu potrzeba na dotarcie od punktu, w którym się pojawiło do ściany detektora zbudowanego, rzecz jasna, ze zwykłej materii). Tam dziwadełko, jak to cząstka ujemna, zostanie wychwycone przez jakieś zwykłe jądro. Utworzy dziwadełkowy atom, nietrwały bo zbliżając się coraz bardziej do swego jądra, wejdzie z nim w reakcję, zaabsorbuje parę nukleonów i wytworzy większe dziwadełko. Proces taki jest egzotermiczny - następuje z wydzieleniem energii. Chwilowo mamy więc dziwadełko dodatnie. Jeżeli jednak korzystniejszy energetycznie jest dla dziwadełka stan z ładunkiem ujemnym, to nasze dodatnie dziwadełko wychwyci elektrony i stanie się ujemne. Wtedy wracamy do stanu początkowego: znowu nastąpi wyłapywanie zwykłego jądra i zamiana go w dziwadełko.

Tak, krok za krokiem, zwykła materia przechodziłaby w dziwną. Po jakimś czasie z całej naszej Ziemi zrobiłoby się dziwadełko o masie z grubsza równej masie Ziemi i promieniu około 100 m. Jako że kolejne etapy połykania zwykłej materii przez dziwną są silnie egzotermiczne - skończyłoby się to eksplozją w rodzaju wybuchu supernowej.

Dziwadełka lekkie, trwałe i na dodatek ujemnie naładowane to najosobliwszy twór w spekulatywnej dziedzinie dziwnej materii i ich istnienie wydaje się nader mało prawdopodobne. Trzeba jednak oszacować to prawdopodobieństwo.

Zainteresowanie dziwną materią i dziwadełkami kierowało się dotychczas raczej ku astrofizyce niż naszej ziemskiej fizyce. Spekulowano, że ogromne ciśnienie panujące we wnętrzach gwiazd neutronowych może doprowadzić do przejścia rdzenia w stan plazmy kwarkowej, w której kwarki nie byłyby uwięzione. Początkowo byłaby to "zwykła" materia kwarkowa. Jeżeli jednak okazałoby się to korzystne energetycznie, to z czasem przeobraziłaby się w dziwną materię.

Astrofizycy poszukują gwiazd, które byłyby zbudowane z dziwnej materii. Taka gwiazda miałaby znacznie mniejsze rozmiary niż gwiazda neutronowa i krótszy okres obrotu. Byłaby czymś w rodzaju submilisekundowego pulsara. Na razie takich gwiazd nie znaleziono.

W minionych piętnastu latach poszukiwano dziwadełek jako pozostałości zderzeń promieni kosmicznych. Trwałe lekkie dziwadełko przypominałoby ultraciężki izotop zwykłego pierwiastka z charakterystycznie małym ładunkiem. Dla przykładu, dziwadełko o masie atomowej 100 mogłoby mieć ładunek Z = 7 i chemicznie przypominać egzotyczny izotop azotu. Poszukiwania takich tworów prowadzono również w dotychczasowych doświadczeniach akceleratorowych z ciężkimi relatywistycznymi jonami szukając obiektów o małym stosunku Z/A, dodatnich, jak i ujemnych. W amerykańskim akceleratorze AGS przyspieszającym jony złota do energii 15 GeV/nukleon oszacowano, że prawdopodobieństwo wystąpienie dziwadełek nie przekracza jednej miliardowej, zaś w europejskim akceleratorze SPS w CERN, przyspieszającym jony ołowiu do energii 160 GeV/nukleon, jednej dziesięciomilionowej lub nawet jednej miliardowej, zależnie od rodzaju dziwadełka.

Czego możemy spodziewać się w RHIC? Największy kłopot z oszacowaniem możliwości pojawienia się dziwadełek to brak dobrej teorii, a nawet dobrego modelu ich produkcji. Ekstrapolacja ograniczeń uzyskanych z pomiarów w akceleratorach AGS i SPS oraz istniejące teorie praktycznie wykluczają pojawienie się groźnych dziwadełek.

Autorzy wspomnianego raportu nie ograniczają się jednak do teorii, lecz wykorzystują dane z promieni kosmicznych. Zacznijmy od stwierdzenia, że nasz bliski sąsiad, Księżyc, dobrze zbadany i nie składający się z dziwnej materii, jest trwały. A przecież nieustannie bombardują go wysokoenergetyczne jądra zawarte w promieniowaniu kosmicznym. Widocznie te zderzenia nie prowadzą do powstawania groźnych, trwałych, lekkich ujemnych dziwadełek. Można policzyć, ile zderzeń od poczatku świata nastąpiło na powierzchni Księżyca. Jest ich znacznie więcej niż szacowana liczba w ciągu całego planowanego czasu eksploatacji RHIC.

Pesymiści zaproponowali taki model produkcji dziwadełek, dla którego oszacowanie na podstawie trwałości naszego Księżyca nie jest adekwatne. Ale mamy jeszcze do oszacowania liczbę zderzeń w przestrzeni międzygwiezdnej. Gdyby w niektórych zderzeniach powstawały te groźne dziwadełka, miałyby one szanse trafić w jakąś gwiazdę i spowodować jej eksplozję. Wyglądałoby to jak wybuch supernowej. I takie wybuchy rzeczywiście mają miejsce w kosmosie. Potrafimy jednak dziś nieźle oszacować, ile rozbłysków supernowych się wydarza. W minionym tysiącleciu obserwowano ich zaledwie kilkanaście. Tymczasem najbardziej niekorzystne dla naszego świata założenia dotyczące częstości produkcji dziwadełek prowadzą do oszacowania, że - biorąc pod uwagę liczbę zderzeń jąder w promieniach kosmicznych powinno być około miliona supernowych rocznie w naszej Galaktyce. Przeliczając liczbę zderzeń w promieniach kosmicznych na liczbę zderzeń w RHIC, dostajemy czynnik bezpieczeństwa rzędu 1022.

Nawiasem mówiąc, produkcja dziwadełek o dodatnim ładunku nie byłaby wcale niebezpieczna. Takie twory wyłapywałyby elektrony i tworzyły dziwadełkowe atomy dziwnymi jądrami. Tak więc można spokojnie uruchamiać najpotężniejszy akcelerator re-latywistycznych jonów i z zaciekawieniem czekać na wyniki eksperymentów. Może uda się chociaż odkryć te niegroźne dziwadełka?

O szczegółach eksperymentów, których celem jest uzyskanie plazmy kwarkowo-gluonowej, a więc stanu materii występującego we wczesnym Wszechświecie, można przeczytać w artykule pt. Mały Wielki Wybuch, w "Świecie Nauki" nr 5/1999, polecamy też artykuł Uśmiech kota, "ŚN" nr 4/2000 przyp. red.

Doc. dr hab. HELENA BIAŁKOWSKA pracuje w Instytucie Problemów Jądrowych w Warszawie. Uczestniczy w eksperymencie NA 49 w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek (CERN), w kórym bada się zderzenia jąder atomu rozpędzonych do prędkości relatywistycznych, czyli bliskich prędkości swiatła.