finał XXIII Ogólnopolski Konkurs na Pracę z Fizyki im. prof. Grzegorza Białkowskiego Katowice, 13 marca 2008 Streszczenia prac laureatów

Transkrypt

1 Streszczenia prac laureatów 23

2 Agnieszka Bierońska i Joanna Frank Liceum Ogólnokształcące w Bieruniu Opiekun pracy: mgr Anna Szymczyk CO WIEMY OBECNIE O CZĄSTCE HIGGSA? JAKA JEST SZANSA JEJ ZAOBSERWOWANIA W PRZYSZŁYCH EKSPERYMENTACH? W 1964 r. istnienie bozonu Higgsa ( zwanego inaczej boską cząstką ) postulował Peter Higgs. Od tego momentu upłynęły już 44 lata, jednak owa cząstka nadal pozostaje tylko hipotetyczna. Mimo, iż fizyka teoretyczna bardzo dużo poczyniła w tym kierunku, niestety nie udało się, na dzień dzisiejszy, eksperymentalnie udowodnić istnienia tej cząstki. Fizycy jednak nieprzerwanie kontynuują swoje poszukiwania. Bozon Higgsa posiada spin równy 0 i obojętny ładunek elektryczny a jego pole przenika Wszechświat we wszystkich kierunkach. Cząstka ta jest uzupełnieniem Modelu Standardowego, mianowicie ostatnim brakującym elementem układanki jaką jest materia. Między nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych i słabych jest duża różnica masy: w przypadku oddziaływań słabych są to ciężkie bozony W +, W - i Z 0, natomiast foton- nośnik oddziaływania elektromagnetycznego jest bezmasowy. Istnienie boskiej cząstki wyjaśnia tą różnicę. Poprzez oddziaływanie z jej polem, inne cząstki nabierają masy, niezależnie od ich położenia i kierunku ruchu. Im mocniejsze jest to oddziaływanie, tym większa jest masa uzyskana przez daną cząstkę. Z tego wynika, że pole Higgsa nie oddziałuje z fotonem w przeciwieństwie do nośników oddziaływań słabych, na które działa bardzo silnie. W Modelu Standardowym bozon Higgsa jest przedstawiony poprzez sprzężenie z dobrze poznanymi już cząstkami, jest więc niezbędnym element materialnego istnienia z nich. Te informacje utworzyły pewien trop, który doprowadzić może do wykrycia boskiej cząstki. Tym tropem podążyli współcześni fizycy. Dzięki nowoczesnym eksperymentom oraz dociekliwym umysłom wielu znakomitych fizyków, udało się, i to nawet z dosyć dużą dokładnością, określić przedział masy jaką mogłaby posiadać owa boska cząstka. Przedział ten mieści się w granicach od 114 GeV do ok. 250 GeV (tak ogromną masę, mogłaby przyjąć cząstka Higgsa tylko w przypadku, gdy byłaby elementarna- co przewiduje teoria.). Największym akceleratorem, zdolnym wyprodukować tak dużą energie jest LHC, znajdujący się w CERN-ie pod Genewą. Naukowcy, pasjonaci fizyki jak i szereg innych ludzi, wiąże wielkie nadzieje w akceleratorem LHC. Bardzo prawdopodobne jest to, iż nowe cząstki w tym cząstka Higgsa, odkryte dzięki LHC, nie tylko ujednolicą Model Standardowy ale i wprowadzą w nim wiele, nieoczekiwanych zmian. LHC będzie osiągał znacznie większą moc niż LEP, której wartość będzie równa 14 TeV. Jednym z priorytetowych celów badań w LHC jest poznanie dokładnej natury masy, a zadanie to nie należy do najprostszych także dlatego, że owa boska cząstka jest cząstką krótkotrwałą. 24

3 PONIŻEJ ZOSTAŁ PRZEDSTAWIONY PROCES SPONTANICZNEGO ŁAMANIA SYMETRII. (RYSUNEK WŁASNY) a) b) POWYŻSZY UKŁAD: KAPELUSZ MEKSYKAŃSKI (SOMBRERO) Z UMIESZCZONĄ KULĄ IDEALNIE NA ŚRODKU JEGO CZUBKA (RYS. A). DOSTARCZAJĄC ENERGII TEMU UKŁADOWI, KAPELUSZ ZACZYNA DRGAĆ. KIEDY KULA PRZYJMIE TAKĄ POZYCJĘ JAK NA RYSUNKU B, A KAPELUSZ CIĄGLE BĘDZIE PORUSZAĆ SIĘ W TAKI SPOSÓB, ABY KULA TOCZYŁA SIĘ WOKÓŁ JEGO ŚRODKA, SYMETRIA NADAL BĘDZIE ZACHOWANA. W CHWILI GDY RUCH TEN USTANIE I KULA ZATRZYMA SIĘ W KTÓRYMŚ MIEJSCU, SYMETRIA ULEGNIE ZAŁAMANIU. 25

4 Michał Michna i Rafał Sotel Liceum Ogólnokształcące w Bieruniu Opiekun pracy: mgr Monika Kulas Na czym polegał problem neutrin słonecznych i jak został on obecnie rozwiązany? Zlokalizowany w Kanadzie eksperyment SNO. Neutrina powstają we wnętrzu Słońca oraz innych gwiazd. Są to bardzo słabo oddziałujące z materią cząstki elementarne o niewielkiej masie. Dzięki temu niezwykle szybko przenikają przez Słońce niosąc na Ziemię bezpośrednie informacje o tym, co się dzieje w jego jądrze. Ziemia jednak wbrew pozorom nie jest całkowicie przepuszczalna dla neutrin. Pionierem ich obserwacji był Raymond Davis. Pierwsze doświadczalne badania udało mu się przeprowadzić w 1968 roku. W nieczynnej kopalni złota w USA zbudował ogromny zbiornik i wypełnił go czterochlorkiem etylu. Neutrina przylatujące ze Słońca raz na jakiś czas wywoływały reakcję przemiany chloru w argon, który wykrywano metodami radiochemicznymi. Niestety rejestrowano średnio trzy razy mniej neutrin, niż oczekiwano na podstawie obliczeń. Uważano wtedy, iż neutrina nie posiadają masy. Uświadomiono sobie, że istnieje rozbieżność pomiędzy zmierzoną liczbą neutrin słonecznych docierających do Ziemi, a teoretycznym modelem wnętrza Słońca. Tak oto powstał problem deficytu neutrin słonecznych. Oczywiście nie poprzestano na jednym eksperymencie. W późniejszych latach wybudowano jeszcze trzy różne detektory. SAGE (amerykańsko-rosyjska aparatura) i amerykańsko-europejski eksperyment GALLEX, w których zastosowano reakcję przemiany galu w german niestety nie przyniosły oczekiwanych efektów. Problem nadal istniał. Ostatni - detektor Kamiokande (później Super-Kamiokande) wybudowany w Japonii, opierający się na rejestracji promieniowania Czerenkowa (które jest wynikiem reakcji wywołanych przez neutrina) notował znacznie więcej neutrin niż w poprzednich eksperymentach, jednak jak można się domyślać było ich nadal mniej, niż wynikało to z obliczeń. Powstało wiele nurtujących pytań na temat procesów zachodzących w Słońcu. Naukowcy zaczęli rozmyślać nad tym, czy rzeczywiście wszystkie neutrina słoneczne do nas docierają? Zastanawiano się również nad poprawnością przeprowadzonych wcześniej obliczeń. Uczeni nie dali za wygraną. Przeprowadzone wcześniej eksperymenty rejestrowały tylko jeden rodzaj neutrin elektronowe. Założono więc, że jeśli neutrina jednak mają jakąś, niewielką masę, to mogą wtedy przechodzić pomiędzy różnymi stanami. Pierwszy dowód na oscylację neutrin otrzymano w Super-Kamiokande w 1998 roku. Okazało się, że istnieje możliwość odnalezienia ich wszystkich. W Kanadzie wybudowano nowe laboratorium SNO, wykorzystujące ciężką wodę (D 2 O). Właśnie tam w 2002 roku wykryto pozostałe typy neutrin docierających do Ziemi ze Słońca. Stało się także możliwe odróżnienie neutrina elektronowego od pozostałych typów. 26

5 PRZYKŁADOWE FOTOGRAFIE: SUPER-KAMIOKANDE SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY REJESTRACJA NEUTRIN GALLEX 27

6 Mateusz Malenta VII Liceum Ogólnokształcące w Częstochowie Opiekun pracy: mgr Urszula Jeruszka Omów wyniki ostatnich doświadczeń badających kosmiczne promieniowanie tła (COBE, WMAP). Jakie doświadczenia są planowane w przyszłości? Naukowcy od dawna próbują odpowiedzieć na najważniejsze pytanie: jak powstał Wszechświat i dlaczego dzisiaj wygląda on tak, a nie inaczej. Odpowiedzi na te pytania, po części udzieliły sondy COBE i WMAP, których zadaniem było badanie m.in. kosmicznego promieniowania tła. Promieniowanie te, pod postacią fal mikrofalowych, jest swojego rodzaju księgą, z której można wyczytać najważniejsze informacje. COBE został wystrzelony w przestrzeń kosmiczną przez NASA w 1989 roku. Badania i pomiary przeprowadzone na jego pokładzie potwierdziły przewidywania zawarte w teorii Wielkiego Wybuchu. Sporządzone mapy były skarbnicą wiedzy na temat właściwości młodego Wszechświata. Zgodnie z obliczeniami kosmiczne promieniowanie tła miało formę promieniowania mikrofalowego. Za pomocą detektorów w jego rozkładzie odkryto niejednorodności, zwane fluktuacjami. W miejscach cieplejszych materia była gęstsza. Wraz z upływem czasu niejednorodności narastały prowadząc do procesu niestabilności grawitacyjnej. To właśnie dzięki temu procesowi, dziś możemy podziwiać gwiazdy, galaktyki, a także nas samych. Z dość dużą dokładnością określono również gęstość, skład oraz dzisiejszy wiek Wszechświata. COBE oprócz badań nad mikrofalowym promieniowaniem tła, wykonał również pomiary w innych długościach fal, co dostarczyło m.in. wspaniałych zdjęć w podczerwieni, które zawierały informacje na temat pierwszych gwiazd. Ten rodzaj promieniowania określa również limit energii uwolnionej przez wszystkie gwiazdy we Wszechświecie. Pozwoliło to naukowcom stworzyć dokładniejsze modele opisujące powstanie oraz ewolucję pierwszych gwiazd i galaktyk. Wszystkie te osiągnięcia zostały nagrodzone w 2006 roku, nagrodą Nobla z fizyki dla dwóch czołowych naukowców odpowiedzialnych za rozwój teorii Wielkiego Wybuchu przy wykorzystaniu danych pochodzących z satelity COBE- Johna C. Mathera i George a F. Smoota. 28

7 Na początku nowego milenium, 12 lat po pierwszej misji, nadeszły zdjęcia wykonane przez następcę COBE- satelitę WMAP. Dzięki rozwojowi techniki, jaki nastąpił w przeciągu 10 lat, możliwe było uzyskane obrazów o znacznie większej liczbie detali. Po raz kolejny udowodniono, że mikrofalowe promieniowanie tła jest prawie doskonale jednorodne. Istnienie fluktuacji zostało jednak potwierdzone po raz kolejny. Zmniejszono margines błędu podczas obliczania wieku Wszechświata, który dziś ma 13,7 miliarda lat, jak i przy obliczaniu jego dzisiejszego składu. WMAP dostarczył również dowodów na istnienie tajemniczej ciemnej materii i ciemnej energii. O ciemnej energii dowiedzieliśmy się więcej, porównując promieniowanie mikrofalowe z miejsc o bardzo małej gęstości materii, z innymi typami promieniowania, które ujawniły brak jakichkolwiek radioźródeł, czyli mgławic, galaktyk, czy masywnych gwiazd, które mogłyby zakłócić temperaturę podróżujących przez miliardy lat fotonów. Naukowcy z University of Durham udowodnili jednak, iż promieniowanie mikrofalowe może zostać zakłócone podczas swojej długiej podróży przez bezmiar Wszechświata. Dokładniej chodzi tu o proces oddziaływania fotonów z gazem znajdującym się w okolicznych gromadach galaktyk. Badacze nie tracą jednak optymizmu i nadal uznają wyniki uzyskane przez COBE i WMAP za prawidłowe. COBE i WMAP dostarczyły odpowiedzi na wiele pytań. Jeszcze więcej jednak pytań pozostało bez odpowiedzi, a obydwie misje dostarczyły dodatkowo kilku kwestii do rozpatrzenia. Być może wyjaśnień dostarczą nam kolejne misje takie jak: Planck, Herschel Space Observatory, czy James Webb Space Telescope. 29

8 Piotr Kowrygo V Liceum Ogólnokształcące w Gliwicach Opiekunowie pracy: mgr Beata Zimnicka i mgr Jan Siódmok Co oznacza, że prawa mechaniki klasycznej są deterministyczne? Podaj dlaczego, gdzie i w jakim stopniu musimy zaakceptować indeterminizm. Od wieków na gruncie filozofii, a później również nauk przyrodniczych i społecznych trwa spór indeterministów z deterministami. Dotyczy on wolności woli, odpowiedzialności moralnej człowieka, celowości i przyczynowości natury, konieczności i przypadku, w końcu zasad w teorii poznania. Niniejsza praca wyjaśnia pojęcia determinizmu i indeterminizmu, przedstawia historię i rozwój teorii fizycznych, ze szczególnym uwzględnieniem mechaniki, opartych na wymienionych koncepcjach, rozpatruje najważniejsze zasady fizyczne stanowiące fundament mechaniki klasycznej i mechaniki kwantowej. Determinizm oznacza koncepcję naukową i filozoficzną, według której wszystkie zdarzenia i zjawiska mają zawsze swoją przyczynę i istnieje między nimi zależność. Fakt, moment i miejsce zajścia każdego zdarzenia oraz jego przebieg określone są jednoznacznie przez zdarzenia, które je poprzedziły w czasie i które z nimi współwystępują. Znając stan wszechświata w danym momencie można teoretycznie przewidzieć wszystkie przyszłe wydarzenia i nie ma tu miejsca na przypadkowość czy działanie wolnej woli. Nauka klasyczna stworzyła pewien ogólny obraz świata, opisawszy go jako uporządkowaną strukturę, rządzoną przez określone prawa. Podstawową teorią nauki klasycznej była mechanika, dlatego starano się opisać wszystkie zjawiska jako mechaniczne. Newton wraz z innymi fizykami deterministycznymi twierdził, że wszystko co się dzieje jest warunkowane prawami mechaniki oraz aktualnym pędem i położeniem wszystkich obiektów materialnych. Znając te prawa oraz pęd i położenie wszystkich obiektów można wyliczyć wszystkie przyszłe wydarzenia. Niedokładność przewidywań wyjaśniano sobie wyłącznie niedokładnością pomiarów wyjściowych. Wielkie sukcesy mechaniki klasycznej kazały się spodziewać, że można w sposób konsekwentny stosować pogląd mechanistyczny do wszystkich dziedzin fizyki. Jednakże z czasem pojawiły się wątpliwości dotyczące tej tezy. Okazało się, że świat w skali mikro nie rządzi się prawami mechaniki klasycznej. Z pomocą w wyjaśnieniu narastających 30

9 problemów przyszła fizyka kwantowa. Odkrycie praw fizyki kwantowej było niewątpliwie jednym z największych osiągnięć poznawczych w historii nauki. W świecie atomów i kwantów nie znalazła ona potwierdzenia dla determinizmu. Narodziło się pojęcie indeterminizmu będące przeciwstawnością determinizmu. Indeterminizm stanowi koncepcję filozoficzną, która zakłada, że we wszechświecie nie ma prawidłowości wszelkich zjawisk, istnieje natomiast obszar wolności umożliwiający podejmowanie świadomych aktów woli. W odróżnieniu od mechaniki klasycznej, która jednoznacznie określa wielkości charakteryzujące układ, mechanika kwantowa pozwala jedynie wyznaczyć prawdopodobieństwa wystąpienia odpowiednich ich wartości. Podstawę stanowi zasada nieoznaczoności Heisenberga, stwierdzająca, że w przypadku cząstek elementarnych, nie można ze względu na ich naturę ustalić dokładnie ich położenia i pędu. Jeśli elektron startuje z punktu A i zaobserwowano go potem w punkcie B, to, zgodnie z mechaniką klasyczną, wydaje się naturalne przyjęcie, że przybył tam, pokonując jakiś konkretny tor łączący A z B. Teoria kwantowa temu przeczy, mówiąc, że droga jest niepoznawalna. Wszystkie drogi są możliwe, każda z pewnym prawdopodobieństwem. O mechanice kwantowej można powiedzieć, że mimo iż jest sprzeczna z intuicją to jednak działa. Indeterministyczna mechanika kwantowa z jej naruszającymi zdrowy rozsądek zasadami włada światem, również tym najbliższym, nas otaczającym. 31

10 Anna Krawczyk i Mikołaj Sadek VIII Liceum Ogólnokształcące w Katowicach Opiekun pracy: mgr Bogusław Lanuszny Rozpraszanie fotonów na elektronach, tzw. rozpraszanie Comptona W naszej pracy przedstawiliśmy zagadnienie rozpraszania kwantów gamma na swobodnych elektronach. We wstępie zawarliśmy wyjaśnienia niektórych terminów z zakresu fizyki: foton, kwant oraz przedstawiliśmy teorie dotyczące natury światła: korpuskularna i falowa. Przedstawiliśmy również sposoby oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią oraz wyjaśniliśmy zjawisko fotoelektryczne, które warto porównać ze zjawiskiem Comptona. Poznanie i zrozumienie zjawisk fotoelektrycznego zewnętrznego oraz rozpraszania comptonowskiego pozwala lepiej zrozumieć budowę strukturę materii. W pierwszej części pracy skupiliśmy się na naukowej interpretacji tego zjawiska, opisaliśmy dokładnie wykonany przez Comptona eksperyment oraz przebieg rozproszenia. Dokonaliśmy wyprowadzenia wzoru na zmianę długości rozpraszanych fotonów ( λ=λ(1-cosφ) ). Przeanalizowaliśmy również zjawisko Comptona dla dużych energii padającego kwantu. W wyniku rozpraszania fotony utraciły większą część energii i stały się mniej przenikliwe. Następnie postanowiliśmy znaleźć, gdzie współcześnie wykorzystuje się zjawisko rozpraszania Comptona. Okazuje się, że wywarło ono wielki wpływ nie tylko na fizykę (potwierdziło dualizm falowo-korpuskularny światła, udowodniło, że klasyczna mechanika nie sprawdzi się w odniesieniu do cząstek elementarnych), ale także na medycynę(radiologia, radioterapia). W ostatniej części naszej pracy, dzięki uprzejmości Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego, pod opieką pracowników naukowych sami przeprowadziliśmy doświadczenie, które pozwoliło nam zaobserwować rozpraszanie. Użyliśmy scyntylatorów, generatora wysokiego napięcia, szczypiec laboratoryjnych, pierwiastków promieniotwórczych 60 Co i 137 Cs, fotopowielacza, ciekłego azotu, detektora scyntylacyjnego oraz komputera z odpowiednim oprogramowaniem. W pierwszej kolejności zbadaliśmy promieniowanie tła, następnie zbadaliśmy widmo dwóch pierwiastków promieniotwórczych. Udało nam się zaobserwować piki linie widmowe energii. Były efektem zachodzenia zjawisk Comptona oraz fotoelektrycznego zewnętrznego. Doświadczenie wykazało, że fala elektromagnetyczna oddziaływuje z materią na wiele sposobów. Na podstawie tabeli pomiarów oraz wykresów dokonaliśmy interpretacji uzyskanych wyników. Okazało się, że zaobserwowane zmiany długości fali zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi. Potwierdziło to ostatecznie słuszność założeń Comptona i potwierdziło falowokorpuskularną teorię natury światła, poprzez wykazanie zależności między pędem fotonu a długością fali elektromagnetycznej. 32

11 Wyniki przeprowadzonego przez nas doświadczenia obrazuje poniższy wykres. Oczywiście jest to tylko fragment naszego żmudnego eksperymentu, gdyż w celach całkowitego upewnienia się, wykonaliśmy powyżej omówienie doświadczenie dla kilku pierwiastków promieniotwórczych. Poniższy wykres obrazuje 60 Co. Tabela wyników dla niektórych kanałów: nr kanału ilość zliczeń nr kanału ilość zliczeń nr kanału ilość zliczeń Aparatura badawcza wykorzystana do doświadczenia Wykres przedstawiający ilość zliczeń na poszczególnych kanałach 33

12 Aleksandra Gumienny i Natalia Turek I Liceum Ogólnokształcące w Knurowie Opiekun pracy: mgr Grzegorz Cuber Doświadczenia, które wykazały niezerową masę neutrin Neutrino- mała cząstka zaprzątająca umysły wielkich fizyków. Zdanie to jest jak najbardziej poprawne. Bo jak inaczej można wytłumaczyć tak dużą ilość doświadczeń i zdobytych informacji, a nawet i Nagród Nobla w przeciągu niepełna 100 lat? Historia neutrin ma swój początek w 1931, kiedy to szwajcarski fizyk Wolfgang Pauli obwieścił światu: Zrobiłem coś strasznego. Wymyśliłem cząstkę, której nie można odkryć. Dzisiaj wiemy, że neutrino jest cząstką elementarną o zerowym ładunku elektrycznym i niezerowej masie. Należy do leptonów, czyli fermionów o spinie ½. Wyróżniamy 3 stany zapachowe neutrin: elektronowe, mionowe, taonowe. Swój początek neutrina mogą znajdować w 2 typach źródeł: naturalnym i sztucznym. Od momentu odkrycia neutrina naukowcy zastanawiali się nad masą neutrina, jednak dopiero doświadczenie Super- Kamiokande przyniosło od dawna oczekiwane rezultaty- odkryło masę neutrin. SUPER-KAMIOKANDE Super-Kamiokande to eksperyment, który jako pierwszy udowodnił oscylację neutrin, a tym samym dowiódł ich niezerowej masy. Szczególnie dotyczył neutrin atmosferycznych. Obserwacja neutrin odbywa się w detektorze Super-Kamiokande (stąd nazwa całego doświadczenia), który znajduje się 1000 m pod ziemią, w nieczynnej japońskiej kopalni w Mozumi. Jest to zbiornik o kształcie walca (średnica i wysokość wynoszą po 40 m), otoczonego przeszło fotopowielaczami (PMT) o średnicy 0,5 m każde. Detektor jest wypełniony przez ton ultra czystej wody, która jest rozmieszczona w wewnętrznej i zewnętrznej części. Jego głównym zadaniem jest rejestrowanie przechodzących neutrin. SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNO jest eksperymentem, który potwierdził i uzupełnił badania Super-Kamiokande. Przeprowadzany jest w Kanadzie w pobliżu miejscowości Sudbury. Do swoich badań używa on detektora, który wykrywa promieniowanie Czerenkowa. Zbudowany on jest z ogromnej beczki wypełnionej 7000 tonami wody. Wewnątrz beczki znajduje się drugi, mniejszy, kulisty zbiornik wypełniony 1000 ton ciężkiej wody - D 2 O (woda, której większą część stanowi tlenek deuteru). SNO skupiło się przede wszystkim na problemie neutrin słonecznych. MAININJECTOR NEUTRINO OSCILLATION SEARCH Eksperyment Minos jest eksperymentem bardzo współczesnym (rozpoczął on swoją działalność 7 marca 2005r.). Potwierdził on oscylację neutrin co świadczy o ich niezerowej masie. Jest on jednak odmienny od swoich poprzedników, gdyż jest on eksperymentem z tzw. długą bazą. Eksperyment tego typu składa się z dwóch detektorów bliskiego (ND), znajdującego się w pobliżu źródła neutrin (w przypadku doświadczenia MINOS jest to FermiLab) i dalekiego (FD), położonego kilkaset kilometrów dalej (w przypadku doświadczenia MINOS jest to Soudan). Generalnie MINOS ma miejsce w USA. Generalnie na podstawie obserwacji detektorów, które wykrywały energię neutrin nie obliczono dokładnej masy, tylko nadano jej pewne ograniczenia. Prezentuje się to w następujący sposób: neutrino elektronowe: < 50 ev neutrino mionowe: < 0,5 MeV neutrino taonowe: < 70 MeV 34

13 Schemat powstawania neutrin Detektor Super-Kamiokande Bliski detektor w eksperymencie MINOS Detektor SNO Daleki detektor w eksperymencie MINOS 35

14 Mikołaj Pawlik i Marcin Turski XXXV Liceum Ogólnokształcące w Łodzi Opiekun pracy: mgr Włodzimierz Nawrocki Co wiemy obecnie o cząsteczce Higgsa? Jaka jest szansa jej zaobserwowania w przyszłych eksperymentach? Temat, składający się zaledwie z dwóch pytań, ale co się za nimi kryje? Te dwa pytania, zaciekawiły nas na tyle, że postanowiliśmy dowiedzieć się więcej na temat owej tajemniczej cząsteczki Higgsa i spróbować odnaleźć na nie odpowiedzi. Chęci poznania praw, jakimi rządzi się świat w którym żyjemy dały początek powstaniu tej pracy. Wywód na temat tajemniczej cząstki Higgsa zaczęliśmy, od opisania powstania i rozwoju fizyki oraz postrzegania jej wśród innych nauk. W kolejnych rozdziałach zawarliśmy wiadomości na temat świata cząstek elementarnych oraz fizyki kwarków. Poruszyliśmy też zagadnienia związane z działaniem akceleratorów cząstek oraz sposobami wykrycia w nich bozonu Higgsa. Końcową część pracy natomiast, zajęły nam rozważania o tym jak i gdzie można ów bozon Higgsa uzyskać oraz ile czasu zajmie naukowcom eksperymentalne potwierdzenie jego istnienia. Opracowując powyższy temat staraliśmy się między innymi odpowiedzieć na takie pytania jak: na czym dokładnie polega rola bozonu Higgsa w tworzeniu materii całego świata? W jaki sposób bozon Higgsa oddziałuje na inne cząstki modelu standardowego? Czym jest model standardowy i co jest w nim zawarte? Jak powstaje masa oraz na czym polega pole Higgsa? Boski pierwiastek Higgsa, brakujący element modelu standardowego, jest poszukiwany od wielu lat przez naukowców na całym świecie, ale jak dotąd bezskutecznie. Najdokładniejszych informacji na temat doświadczeń związanych z potwierdzeniem istnienia bozonu Higgsa dostarcza największy ośrodek badawczy fizyki cząstek elementarnych jakim jest CERN (franc. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, czyli Europejski Ośrodek Badań Jądrowych). Naukowcy twierdzą, iż cząstka Higgsa była obecna 10 sekund po Wielkim Wybuchu i była ważnym czynnikiem w kreowaniu naszego świata. Jednak teoria ta jak dotąd nie znalazła naukowego potwierdzenia. Eksperymenty prowadzone przy użyciu akceleratora LEP (ang. Large Electrion-Positron collider) w CERN wykazały, ze jeżeli cząstka Higgsa istnieje, to jej masa przekracza 114 GeV. Oczekuje się, iż definitywne rozstrzygnięcie kwestii istnienia (lub nie) cząstki Higgsa stanie się możliwe w eksperymentach Atlas i CMS, obecnie znajdujących się w budowie w CERN, a których uruchomienie planowane jest w maju 2008 roku. Mamy nadzieję, że nasza praca dostarczyła ciekawych informacji na temat bozonu Higgsa oraz ułatwiła zrozumienie mechanizmów którymi rządzi się nasz świat. Choć na dzień dzisiejszy pytanie czy istnieje cząstka Higgsa czy nie nadal zostaje bez odpowiedzi, być może w najbliższym czasie uda się eksperymentalnie to stwierdzić. 36

15 Detektor ALEPH 37

16 Karolina Korfanty I Liceum Ogólnokształcące w Piekarach Śląskich Opiekun pracy: mgr Beata Onak Co wiesz o kwantowej kryptografii. Jakie są szanse wykorzystania w przyszłości tej techniki do ochrony informacji Kryptografia, jest to dziedzina zajmująca się utajnianiem informacji za pomocą szyfrowania. Dzięki niej, możemy przekształcić normalny tekst lub wiadomość w niezrozumiałą dla nieupoważnionej osoby informację. Sztuka kryptografii narodziła się już w czasach starożytnych. Pierwsze informacje o niej pochodzą sprzed 2500 lat. Najprymitywniejszym kodem jest tzw. kod Cezara, polegający na podstawieniu innej litery lub symbolu graficznego pod znak. Na szczęście dzisiejsze metody są bardziej zaawansowane. Szyfry używają specjalnego klucza, mówiącego jak zastępować znaki innymi. Jednak bezpieczeństwo szyfru (nawet w dzisiejszych czasach) nie jest w 100 % pewne. Dlatego też, powstała kryptografia kwantowa (kwantowa dystrybucja losowo wygenerowanego klucza ang. Quantum Key Distribution). Pozwala ona na bezpieczne przesyłanie informacji, które zostają wykorzystane do kodowania i rozkodowywania właściwej wiadomości. Jest ona całkowicie bezpieczna, gdyż próba podsłuchania transmisji jest zauważana przez zaburzenia przekazu i prowadzi do zmiany używanego klucza szyfrującego przez nadawcę i odbiorcę. Także próby odtworzenia oryginalnego klucza przez niewłaściwą osobę pozostawiają ślad na zawartości oryginalnego klucza. Kryptografia kwantowa do przekazania zaszyfrowanej wiadomości wykorzystuje fotony, które zostają spolaryzowane poziomo lub pionowo. Fotony te, mogą posłużyć do przekazywania kodu binarnego odpornego na rozszyfrowanie. Kwantowo-mechaniczne właściwości fotonów mówią o ich możliwości przemieszczania się na dowolne odległości tylko i wyłącznie w próżni, gdyż w atmosferze będą one zderzały się z atomami gazu wywołując zakłócenia a tym samym dając wrażenie efektu podsłuchu. Jednak użyte w kryptografii kwantowej fotony pokonują odległości w rozrzedzonej atmosferze, dlatego efekty zakłóceń są dużo mniejsze. Szyfrowanie kwantowe służy do przekazywania danych na niewielkie odległości (kilkanaście, kilkadziesiąt kilometrów) za pomocą światła. Przesyłana informacja jest kodowana na pojedynczych fotonach. W zależności od kierunku polaryzacji (pionowego lub poziomego) foton przechodzi przez filtr polaryzacyjny na stacji odbierającej. Klucz określa sekwencje użytych polaryzatorów. Polaryzacja światła polega na oscylowaniu fali świetlnej tylko w wybranym kierunku. Wyróżniamy polaryzacje poziomą, pionową i ukośną. Jednym z elementów kryptografii kwantowej jest szyfr Vernama, który zapewnia całkowicie bezpieczny kanał, a polega to na połączeniu dystrybucji klucza z szyfrem. Klucz musi jednak spełniać 3 warunki: jednorazowość, losowość i odpowiednią długość (musi być tak długi jak wiadomość). Przykładowymi algorytmami kryptografii kwantowej są: algorytm Bennetta- Brassarda., algorytm Bennetta i algorytm Ekerta. W protokole Ekerta (EPR) bezpieczeństwo krypto systemu kwantowego polega na tym, że informacja definiująca klucz pojawia się dopiero po pomiarach dokonanych przez odbiorcę i nadawcę, a nie podczas przesyłania. Kryptografia kwantowa jest już faktem. Wykorzystuje się ją m.in. w światłowodowych połączeniach między Genewą a Los Alamos, w powietrznych połączeniach kwantowych, a ostatnio także w szwajcarskich wyborach powszechnych, w których to została użyta wiązka światłowodowa wyposażona w kwantowe szyfratory zabezpieczające transmisję danych zawierających oddane głosy. 38

17 Ewa Małecka IV Liceum Ogólnokształcące w Sosnowcu Opiekun pracy: mgr Maria Pawełczyk Jakie nadzieje wiążą fizycy z uruchamianym w obecnym roku zderzaczem LHC w CERN-ie? Od zarania dziejów ludzie zawsze chcieli dowiedzieć się czegokolwiek więcej o Wszechświecie. Ich głównym celem było poznanie. W tym kierunku, by odkrywać dalsze tajniki niezgłębionej dotąd natury świata i kosmosu, wybudowano m.in. Europejski Ośrodek Badań Jądrowych położony w Szwajcarii i Francji- CERN. To właśnie w CERN-ie został wybudowany Wielki Zderzacz Hadronowy- LHC. Przyspiesza on dwa strumienie cząstek w dwóch tunelach. W 4 miejscach, w których zderzą się ze sobą dwie cząstki, wybudowano detektory: ATLAS, ALICE, CMS i LHCb. W wyniku zderzenia energia protonów wzrośnie dwa razy. LHC będzie mógł także przeprowadzać zderzenia innych cząsteczek-ciężkich jonów np. ołowiu. Jony te w wyniku zderzenia dadzą wtedy energię 1148TeV. Działa w temperaturze o 300 stopni Celsjusza mniejszej od temperatury pokojowej. Fizycy pracujący nad funkcjonalnością zderzacza hadronów chcą uzyskać odpowiedzi na wiele nurtujących ich pytań m.in.: czy cząsteczki posiadają masę? Czy istnieje pole Higgsa i bozony Higgsa nadające wszystkim cząstkom masę? Odpowiedź na te pytania nie jest prawdopodobnie związana ze Standardowym Modelem i należy jej szukać w idei Higgsa, która zakłada, że cała przestrzeń wypełniona jest polem Higgsa. LHC może wykryć tę cząstkę, o ile istnieje ona w rzeczywistości. Cząstka ta miała istnieć jedynie przez około dziesięć sekund po Wielkim Wybuchu i dać początek wszelkiej materii. Z przeprowadzonych dotychczas eksperymentów wiadomo, że jej masa spoczynkowa musi być bardzo duża. Cząstka Higgsa ma niezwykle krótki czas życia i w zależności od swojej masy może rozpadać się na wiele różnych sposobów. Bozon Higgsa jest odpowiedzialny za nadawanie mas kwarkom i leptonom, a także bozonom W i Z (być może również neutrinom) poprzez tzw. mechanizm Higgsa. Mechanizm ten polega m.in. na tym, że obdarowywana masą cząstka oddziałuje z bozonem Higgsa tym silniej, im większą masę nadaje jej pole bozonu oraz im większą masę ma sam bozon. LHC będzie miał ogromne znacznie dla rozwoju nauki. Dzięki niemu poznamy odpowiedzi na wiele nurtujących nas pytań dotyczących elementarnej budowy materii... Kolosalna ilość otrzymania możliwych wyników doświadczeń dostarczy nam mnóstwo informacji o cechach charakterystycznych nie poznanych dotąd( a raczej nie udowodnionych doświadczalnie) najmniejszych elementów, z których zbudowany jest Wszechświat... Należy zauważyć, iż obecne osiągnięcia w tej dziedzinie są nie tylko spełnieniem marzeń naukowców, lecz przyczyniają się przyszłym pokoleniom... 39

18 Piotr Bednarski IV Liceum Ogólnokształcące w Sosnowcu Opiekun pracy: mgr Jadwiga Dobiecka Omów eksperymenty, które jednoznacznie pokazały, iż neutrina posiadają masę Dzięki rozwojowi fizyki, w latach 30. udało się zbadać promieniowanie beta. Elektron i proton powstające w tym rozpadzie posiadały za małą energię, a wypadkowy spin pojedynczych cząstek różnił się od spinu neutronu przed rozpadem. Wszystko wskazywało na to, że gdzieś tkwi błąd, ponieważ wyniki badań nie zgadzały się z założeniami fizyków. Należało odpowiedzieć na pytanie: Czy zasady zachowania energii, pędu i momentu pędu są źle sformułowane? Aby rozwiązać ten problem, Wolfgang Puli zaproponował istnienie dodatkowej cząstki, która posiadałaby znikomą masę, zerowy ładunek elektryczny oraz połówkowy spin. Cechy neutrina sprawiały, że było ono wyjątkowo trudne do wykrycia przez zwykłe detektory cząstek, ale w końcu udało się udowodnić, że istnieją. Fizycy zaczęli szukać masy neutrin. Wkrótce okazało się, że bezpośrednie pomiary masy neutrin są niemal niewykonalne. Przez brak ładunku elektrycznego, nie zmieniają trajektorii lotu w polu magnetycznym. Oprócz tego poruszają się niemal z prędkością światła i są wyjątkowo przenikliwe - aby wyłapać połowę neutrin z wiązki, na ich drodze należałoby ustawić ekran z ołowiu o grubości około roku świetlnego. Fizycy zaczęli się zastanawiać, czy neutrina w ogóle posiadają masę. Aby dowieść, że tak, próbowali znaleźć mierzalną cechę neutrina, która byłaby jednoznaczna z posiadaniem masy. Taką cechą jest oscylacja - zjawisko zachodzące dla cząstek tego samego rodzaju posiadających stany zapachowe (neutrino posiada trzy stany zapachowe: elektronowe, mionowe i taonowe). Oscylacja to zmiana zapachu neutrina w inne, a co za tym idzie zmiana masy. Dzięki eksperymentom Super- Kamiokande i SNO udało się udowodnić, że neutrina oscylują. Doświadczenia te polegały na mierzeniu wiązki neutrin pochodzących ze Słońca (na którym powstają tylko neutrina elektronowe) i sprawdzeniu jaka część neutrin pozostała elektronowa. Okazało się, że po około ośmiominutowej drodze ze Słońca do Ziemi prawie 2/3 neutrin zmienia swój zapach. W końcu udało się udowodnić, że neutrina posiadają masę. Innym typem doświadczenia, które miało zbadać wartość masy neutrin było obserwowanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta w detektorach NEMO, NEMO-II i NEMO-III. W podwójnym rozpadzie beta dwa neutrony rozpadają się na: dwa protony, dwa elektrony i dwa neutrony. W podwójnym neutrinowym rozpadzie beta, neutrino wydzielone podczas rozpadu pierwszego neutronu rozbija drugi neutron na proton i elektron. W ten sposób nie zostają wydzielone podczas reakcji neutrony. Niestety nie udało się zaobserwować takiej reakcji, jednak badania wciąż trwają. O fizyce cząstek elementarnych wiemy coraz więcej. Postęp, jaki zaszedł w ciągu ostatnich stu lat jest naprawdę olbrzymi. Teoria Pauliego okazała się słuszna. Wywołała ona zamęt w świecie fizyków i spowodowała powstanie kolejnych problemów takich jak: posiadanie masy, typ oddziaływań, na jakie podatne są neutrina, czy choćby ich ilość we wszechświecie. Mimo tego, że fizykom udało się udowodnić posiadanie przez neutrina niezerowej masy, wciąż nie wiemy jaka jest jej wartość, jednak przeprowadzane doświadczenia są coraz dokładniejsze i dogłębne zbadanie tych egzotycznych cząstek jest kwestią tylko czasu. 40

19 Mieszko Krajda Liceum Ogólnokształcące z Oddziałami Integracyjnymi w Świnoujściu Opiekun pracy: mgr Ewa Pater Jakie podstawowe pytania w kosmologii wciąż czekają na odpowiedź? Jakie są szanse udzielenia odpowiedzi na niektóre z nich w planowanych doświadczeniach i obserwacjach? We wstępie pracy przedstawiłem teorie i odkrycia dotyczące natury Wszechświata począwszy od starożytnych ludów, poprzez popularną w średniowieczu teorię geocentryczną Ptolemeusza oraz teorię heliocentryczną Kopernika głoszoną też przez Galileusza i Keplera, a na odkryciu przez Edwina Hubble a rozszerzania się Wszechświata kończąc. W rozdziale drugim opisałem podstawowe hipotezy powstania Wszechświata (teoria Stanu Stacjonarnego, Teoria Wielkiego Wybuchu, Teoria Wielkiej Kraksy), oraz umieściłem informacje dotyczące jego szacowanego wieku. Przedstawiłem też teorie dotyczące jego przyszłości (implozja, nieskończone rozszerzanie). W dziale, dotyczącym granic Wszechświata, tego, co jest poza nimi i tego, co było przed jego powstaniem zająłem się najpopularniejszymi i najbardziej prawdopodobnymi tezami na ten temat, m.in. teorią zakładającą, że nasz Wszechświat jest jednym z wielu lub, że jest jedyny, a poza jego granicami nic nie istnieje. W czwartym rozdziale, na temat kształtu Wszechświata przedstawiłem modele Wszechświata wg Friedmanna (model otwarty, krytyczny i zamknięty) oraz model Wszechświata statycznego, który obecnie jest coraz mniej popularny. Rozdział piąty dotyczy ciemnej materii i ciemnej energii oraz czarnych dziur. Opisałem w nim argumenty przemawiające za istnieniem tych zjawisk, oraz wyjaśniłem, czym one prawdopodobnie są. Przedstawiłem również wykres obrazujący jak dużą część masy Wszechświata zajmuje wg znacznej grupy naukowców ciemna materia i ciemna energia. Opisałem też jakie warunki muszą być najprawdopodobniej spełnione, aby z gwiazdy powstałą czarna dziura oraz wyjaśniłem czym jest horyzont zdarzeń. W szóstej części pracy opisałem kwazary. Przedstawiłem teorie dotyczące ich natury, m.in. tezę, że są to bardzo aktywne centra odległych galaktyk lub potężne czarne dziury, a źródłem ich jasności jest wpadająca do nich materia. W dziale na temat podróży w czasie skupiłem się na wykorzystaniu elastyczności czasoprzestrzeni i teoretycznej możliwości zakrzywienia jej w nieznanym nam jeszcze wymiarze tak, aby powstał tunel czasoprzestrzenny, dzięki któremu odległość między dwoma punktami w kosmosie będzie wielokrotnie mniejsza niż w znanej nam trójwymiarowej przestrzeni. W rozdziale ósmym opisałem możliwe teorie wielu Wszechświatów, a mianowicie Wszechświaty w postaci bąbli, w postaci płacht oddalonych od siebie o milimetry wzdłuż dziesiątego wymiaru oraz Wszechświaty równoległe Hugh Everett a. Dział dziewiąty poświęciłem badaniom nad istnieniem obcych cywilizacji i oszacowaniu szans na istnienie takowych. Rozdział dziesiąty dotyczy prowadzonych obecnie i planowanych badań w zakresie kosmologii oraz szans, jakie dają one, na odpowiedź na podstawowe pytania dotyczące Wszechświata. Opisałem najważniejsze pracujące i budowane teleskopy oraz możliwości, jakie przyniesie w badaniach nad ciemną materią, Wielki Zderzacz Hadronów budowany w instytucie CERN. 41

20 Wykres przedstawiający strukturę Wszechświata (dot. Rozdziału 5.) Model Wszechświata wg Teorii Kopernika (dot. Rozdziału 1.) Rysunek przedstawiający Tunel Czasoprzestrzenny (dot. Rozdziału 7.) Rysunek przedstawiający Teorię Bran (dot. Rozdziałów 2. i 8.) Wykres dotyczący Modeli Wszechświata wg Friedmanna (dot. Rozdziału 4.) Fotografia przedstawiająca Teleskop Hubble a (dot. Rozdziału 10.) 42

21 Szymon Pawlak i Jacek Stempniewski Liceum Ogólnokształcące z Oddziałami Integracyjnymi w Świnoujściu Opiekun pracy: mgr Ewa Pater Opisz zjawisko teleportacji. Czy potoczne rozumienie tego słowa może opisywać realnie wykonany eksperyment? Termin teleportacja, słowo znane każdemu człowiekowi lecz nie jest to takie proste do wyjaśnienia a tym bardziej do zrealizowania. Powszechnie oznacza przemieszczenie obiektu z punktu A do punktu B w natychmiastowym czasie, bez zachowania ciągłości istnienia tego ciała w przestrzeni. Teleportacja jest natchnieniem autorów i reżyserów, przykładem może być znany serial Sar Trek. Słowo to pierwszy raz zostało użyte przez Charlesa Forta. Ludwig Flamm wysunął ciekawą teorię możliwości teleportacji za pomocą wymiarów, jednak bardziej realnym rozwiązaniem może okazać się dematerializacja i materializacja danego obiektu w innym miejscu co przypuszczalnie będzie bardzo ryzykowne. Jednym z niewyjaśnionych przypadków teleportacji jest słynny eksperyment Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych pod kryptonimem Tęcza, gdzie w zadziwiający sposób okręt USS Elridge przeteleportował się. Od dłuższego czasu naukowcy starają się przeprowadzać udane eksperymenty m.in. teleportacji stanów kwantowych fotonów. W 2002 r Ping Koy Lama wraz ze swoim współpracownikiem Warwickiem Bowenem przeteleportowali informację zakodowaną w wiązce laserowej. A gdyby udało nam się zmienić natężenie pola grawitacyjnego? Niektórzy uważają, że jest to jedyna możliwość w pełni tego słowa znaczeniu teleportacji. Paranormalnymi przypadkami teleportacji są wyczyny Filipińczyka Cornelio Closa, gdzie nie wykorzystując żadnego urządzenia potrafił przemieścić się za pomocą siły umysłu. Człowiek to nie tylko materia, ale także świadomość. Nie wiadomo, co by się stało z ludzkim umysłem, gdyby próbowano przeteleportować człowieka, gdyż są zwolennicy teorii, którzy uważają, że świadomość to nie tylko wyładowania elektryczne w mózgu. W dalszym ciągu teleportacja jest czymś nieosiągalnym, odkrycie jej było by wielkim przełomem dla ludzkości. Czy uda nam się to osiągnąć? 43

22 Dominika Branicka Zespół Szkół nr 2 w Wałbrzychu Opiekun pracy: mgr Danuta Rysak Opisz strukturę protonu. Czy wiemy jak wygląda struktura elektronu? Podaj co stanie się gdy elektron zderzy się z protonem przy energii w skalach masy: 100eV, 100 MeV oray 100 GeV. Nazywam się Dominika Branicka, jestem uczennicą pierwszej klasy liceum. O tym konkursie dowiedziałam się na lekcji fizyki i pomyślałam, że może to być ciekawe, nowe doświadczenie, dzięki któremu powiększę swoją wiedzę i tak właśnie się stało, ale zacznijmy do początku Już w starożytności grecki filozof - Demokryt z Abdeny wprowadził pojęcie atomu, czyli najmniejszej niepodzielnej cząstki, z której zbudowany jest nasz świat. Wielu filozofów spekulowało na ten temat, jednak na kilka wieków porzucono te rozmyślenia. Dopiero w XIX wieku, dzięki niemieckiemu astronomowi Johannesowi Keplerowi atom ponownie wzbudził zainteresowanie naukowców. W tym samym wieku uczeni badali przewodzenie elektryczności przez szklane rury wypełnione powietrzem o niskim ciśnieniu. Kiedy do elektrod (metalowych płytek) podłączono wysokie napięcie, ścianki rury zaczęły jarzyć się zielonkawym światłem. To zjawisko spowodowane było niewidzialnymi promieniami emitowanymi z ujemnej elektrody (katody), które uderzały o boki rury. J.J. Thomson, fizyk, stwierdził, że te promienie są strumieniem ujemnie naładowanych cząstek. Uznano, że są one elementem budowy atomu, jednak nie wiedziano jakie jest ich miejsce w jego strukturze. Thomson uważał, że atom może trochę przypominać ciasto z rodzynkami. Cala objętość atomu była jednorodnie naładowana dodatnio ciasto, a zanurzone w niej cząstki rodzynki, były naładowane ujemnie. W 1911 roku Ernest Rutherford zaproponował inny model budowy atomu. Stwierdził, że w środku atomu znajduje się ciężkie, dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą lekkie, ujemnie naładowane elektrony. Nie były to tylko spekulacje. Przeprowadził on doświadczenie, które udowodniło, że ma racje. Elektronem zainteresowało się wielu naukowców, którzy stworzyli własne teorie na jego temat. Stwierdzono, że jest on falą, leptonem, struną itd. Może znajdować się w pułapkach np. w zagrodzie prostokątnej. Porusza się po orbitach, które mogą przyjmować przeróżne kształty. Pomimo wielu informacji jakie posiadamy, to struktura elektronu nadal pozostaje tajemnicą. Jednak nie możemy tego samego powiedzieć o dodatnio naładowanym protonie, który jest jednym z dwóch elementów budujących jądro atomu. Dzięki odkryciom wielu naukowców możemy ujrzeć jego wnętrze. Robert Hofstadter z Uniwersytetu Stanforda, a później także inni badacze zbombardowali proton elektronami. Takie zderzenia o dostatecznie wysokiej energii, powodują, że kwarki przestają się poruszać i wyczuwają punktowe oddziaływanie. Takie oddziaływania powodują rozpraszanie się pod dużymi kątami i znaczne zmiany energii elektronów biorących udział w zderzeniu. Zostało to nazwane przez fizyków głęboko nieelastycznym rozpraszaniem. Robert Hoftstander zrobił nawet zdjęcie temu zjawisku, za które otrzymał w 1961 roku Nagrodę Nobla. To właśnie dzięki tym doświadczeniom wnętrze protonu nie jest już nam obce. W jego środku znajdują się trzy szybko poruszające składniki punktowe, czyli kwarki. 44

23 Analiza wszystkich eksperymentów spowodowała, że zostały odkryte nowe formy gluony. Są one nośnikami oddziaływania silnego i bez nich nie udałoby się wyjaśnić otrzymanych danych. Dowiedzieliśmy się również jak kwarki poruszają się względem siebie w swoim protonowym więzieniu. Nasza cywilizacja rozwija się coraz szybciej, powstają nowe wynalazki oraz teorie. Budowa dodatniego protonu nie jest już tajemnicą, jednak zagadką do rozwiązanie pozostaje struktura elektronu. Mam nadzieję, że w najbliższym czasie uda się ją rozwikłać. " Plum pudding model " ("ciasto z rodzynkami") model atomu Thomsona Model atomu Rutherforda 45

24 Krzysztof Majdak i Wojciech Kubies Zespół Szkół Mechaniczno Elektrycznych w Żywcu Opiekun pracy: mgr Bożena Piątek Jakie własności Modelu Standardowego zostały zweryfikowane za pomocą zderzacza LEP w CERN-ie? Wiele eksperymentów w fizyce ma na celu, poznanie budowy materii, odkrycie podstawowych cząstek z których powstała otaczająca nas różnorodna rzeczywistość oraz sformułowanie praw, zgodnie z którymi cząstki te wiążą się ze sobą. Obecną naszą wiedzę na ten temat opisuje teoria zwana Modelem Standardowym. Zakłada ona, że istnieją dwa rodzaje cząstek. Cząstki, które tworzą materię to leptony i kwarki. Łączą się one w trzy rodziny, w każdej z nich znajdują się dwa kwarki i dwa leptony (rys.1). Cały istniejący wokół nas świat jest złożony z pierwszej rodziny kwarków i pierwszej rodziny leptonów. Materia zbudowana z drugiej i trzeciej rodziny kwarków i leptonów jest nietrwała i rozpada się w ułamku sekundy. Kolejną grupę stanowią cząstki przenoszące oddziaływania (rys.2). W przyrodzie obserwujemy cztery typy oddziaływań: grawitacyjne, elektromagnetyczne, jądrowe silne i jądrowe słabe, które za wyjątkiem grawitacji opisuje MS. Oddziaływania odbywają się poprzez wymianę wirtualnej cząstki należącej do grupy bozonów pośredniczących. Foton jest nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych. Cząstki W +, W -,Z 0 to bozony pośredniczące w oddziaływaniach słabych. Gluon jest nośnikiem oddziaływań jądrowych silnych. Teoria ta przewiduje także istnienie cząstki Higgsa, która prawdopodobnie tuż po Wielkim Wybuchu była odpowiedzialna za nadawanie mas innym cząstkom. Model Standardowy był eksperymentalnie testowany w latach za pomocą największego na świecie akceleratora LEP. Plany budowy zatwierdzono w 1981 na posiedzeniu Rady Organizacji Badań Jądrowych (CERN), budowę rozpoczęto w 1983 roku. Akcelerator LEP został uruchomiony w sierpniu 1989 i do roku 2000 był najważniejszym urządzeniem badawczym CERN-u. Długość LEP-u wynosiła 27 km, tunel akceleratora umieszczony został około 100 m pod ziemią. W akceleratorze były przyspieszane elektrony i pozytony. Wstępnie przyspieszano je w dwóch liniowych akceleratorach LIL oraz EPA. Następnie przy pomocy dwóch kołowych akceleratorów PS i SPS. Gdy cząstki osiągały energię 20 GeV wprowadzane były do tunelu LEP-u, gdzie przyspieszano je do większych energii (rys. 3). W tunelu LEP-u wiązki przeciwbieżne zderzały się ze sobą, a podczas zderzeń wytwarzały się nowe cząstki. Miejsca zderzeń otoczone były detektorami: ALEPH, L3, DELPHI i OPAL (rys. 5), których celem była rejestracja wyników tych kolizji. Akcelerator pracował w dwóch fazach. W pierwszej fazie zwanej LEP1 ( ) osiągał energię 91,2 GeV, co pozwoliło na rejestrację ponad 3,5 miliona przypadków bozonów Z 0 (rys. 6). Dzięki tak dużej ilości danych, oraz bardzo dokładnemu pomiarowi energii wiązek możliwe było wykonanie testów MS z dokładnością do 1 promila. W roku 1995 rozpoczęła się druga faza pracy LEP2. Urządzenie przestawiono na 140 GeV przygotowując je do drugiego etapu, w którym energia miała przekroczyć 190 GeV, co umożliwiło wytworzenie i badanie cząstek W + W - (rys. 7). W tej fazie pracy dokonano również uzupełnienia testów MS przy wyższych energiach, poszukiwano nowych procesów i nowych cząstek przewidywanych również przez teorię supersymetryczną. Przy pomocy eksperymentów wykonanych na akceleratorze LEP ograniczono z dużą dokładnością liczby rodzin kwarkowo-leptonowych do trzech (rys. 4). Szczególnie ciekawe wydały się nam przypadki poszukiwania bozonu Higgsa, które realizował już akcelerator LEP. Analiza zebranych danych pozwoliła jedynie na dokładne oszacowanie masy tej cząstki. Liczba zarejestrowanych zdarzeń nie była wystarczająca, aby efekt można było uznać za rejestrację tej cząstki (rys. 8). LEP został zamknięty zanim zdołał rozwiązać ten problem. Podjęto również próby poszukiwania kwarku t, jednak nie zakończyły się one sukcesem. Obecnie w tunelu LEP-u konstruowany jest akcelerator LHC, który przyspieszać będzie przeciwbieżne wiązki protonów do energii 14 TeV. W tym akceleratorze fizycy mają nadzieję zarejestrować bozon Higgsa, wytworzyć i zbadać nowy stan skupienia materii - plazmę kwarkowo-gluonową. Przedmiotem badań LHC będzie także obserwowana we Wszechświecie asymetria między materią i antymaterią. Może okazać się że MS nie będzie zamkniętą ostateczną teorią fizyczną. Sprawdzenie argumentów teoretycznych za istnieniem głębszej teorii przy wyższych energiach będzie ważnym składnikiem naukowego programu LHC. Projekt doświadczalny realizowany w LHC wyznaczy z pewnością nowy kierunek rozwoju fizyki cząstek elementarnych. 46

25 Rysunek 1 Rysunek 2 Rysunek 3 Rysunek 4 Rysunek 5 Rysunek 6 Rysunek 7 Rysunek 8 47