Fizyka dla każdego

Współczesna fizyka wyróżnia tylko cztery fundamentalne siły natury - oddziaływanie grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe oraz silne. Najnowsze badania grupy eksperymentalnej z Wegięr oraz teoretycznej z Kaliforni wykazują możliwość istnienia piątej siły odpowiedzialnej za oddziaływanie zwykłej materii z ciemną materią.                                                                                                     www.physicsworld.com     

Grawitacja jest dla nas siłą najbardziej intuicyjną, której działania doświadczamy od wczesnych lat naszego życia począwszy od pierwszych upadków przy nauce chodzenia. Doświadczenie życiowe mówi nam, że wypuszczona z ręki rzecz na ogół spada „w dół” (fizyk powiedziałby, że spada w kierunku środka Ziemi). Od czasów Izaaka Newtona wiemy, że ta sama siła, która odpowiedzialna jest za spadek jabłek z drzewa, odpowiedzialna jest również za przyciąganie między ciałami niebieskimi. Dzięki grawitacji Ziemia nie ucieka od Słońca, a Księżyc pozostaje w pobliżu Ziemi.

Oprócz grawitacji, na lekcjach fizyki w szkole uczymy się o bardzo wielu innych siłach takich jak tarcie, pchanie, ciągnięcie lub nacisk, z którymi powszechnie spotykamy się w życiu codziennym. Jednak, kiedy przyjrzeć się tym siłom dokładniej, w skali atomowej, okazuje się, że wszystkie te makroskopowe siły są wypadkową skomplikowanych oddziaływań elektrycznych i magnetycznych pomiędzy pojedynczymi atomami. Co prawda w szkole uczymy się o siłach elektrycznych i magnetycznych jako oddzielnych bytach, jednak fizyka współczesna (począwszy od Einsteina) już dawno udowodniła, że magnetyzm jest jedynie szczególnym przejawem oddziaływań elektrycznych. Ponadto, jeżeli zauważymy, że światło lub inne (niewidzialne) promieniowanie oddziałuje z materią za pomocą sił elektromagnetycznych, możemy śmiało stwierdzić, że nasz świat makroskopowy jest światem oddziaływań elektromagnetycznych i grawitacji. 

Trzecia z sił, oddziaływanie silne, jest bardziej enigmatyczna, ponieważ występuje w jądrach atomowych. Oddziaływania silne odpowiedzialne są za samo istnienie jąder, które złożone są neutronów i protonów (tzw. nukleonów). Protony, które niosą dodatni ładunek elektryczny, odpychają się elektromagnetycznie. Łatwo więc wyciągnąć wniosek, że musi istnieć dodatkowa siła o charakterze przyciągającym, która jest na tyle duża (czyli silna), że przezwycięża odpychanie i niczym klej trzyma wszystkie nukleony „do kupy”. 

Aby zrozumieć czwartą siłę odpowiedzialną za oddziaływania słabe, musimy przyjrzeć się jeszcze dokładniej strukturze jądra atomowego lub bardziej precyzyjnie samej budowie nukleonów. Protony i neutrony zbudowane są kwarków - cząstek, które nie mogą istnieć samodzielnie i łączą się w większe cząstki za pomocą oddziaływań silnych. Pomiędzy kwarkami występują również oddziaływania słabe, które mogą prowadzić do przemiany nukleonu – proton może samoistnie (tzn. pod wpływem oddziaływań słabych) zmienić się w neutron i odwrotnie neutron może stać się protonem. Pierwszy przypadek nazywa się rozpadem beta plus, natomiast drugi znany jest pod nazwą rozpad beta minus. Obydwu rozpadom (przemianom) towarzyszy emisja innych cząstek takich jak elektrony i pozytony (antyelektrony). 

We współczesnej teorii cząstek podstawowych, wg. tzw. Modelu Standardowego, oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe polegają na nieustannej wymianie cząstek pośredniczących (tzw. nośników oddziaływań) pomiędzy oddziaływującymi cząstkami. Przypomina to trochę nieustanną wymianę piłki pingpongowej pomiędzy cząstkami. Nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych są fotony, nośnikami oddziaływań silnych są cząstki zwane gluonami, natomiast nośnikami oddziaływań słabych są tzw. bozony pośredniczące. Wiecej o cząstakach elementarnych, kwarkach i nośnikach oddziaływań znajdziesz tutaj.

Poszukuje się również grawitonów, cząstek odpowiedzialnych za oddziaływania grawitacyjne – niedawne potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych potwierdza również możliwość istnienia takiej cząstki. Oprócz grawitonu teoretycy od dawna wysuwają hipotezę o istnieniu innych nośników sił, w tym „ciemnych fotonów”, które mogą pośredniczyć w oddziaływaniach między cząsteczkami zwykłej materii i tzw. ciemnej materii. Byłaby to piąta siła natury. Czarna materia to hipotetyczna materia nieemitująca i nieodbijająca promieniowania elektromagnetycznego (tzn. jest bardzo trudna do wykrycia). Jej istnienie zdradzają jedynie wywierane przez nią efekty grawitacyjne. Według najlepszych współczesnych teorii kosmologicznych ciemna materia stanowi 96% całkowitej materii we Wszechświecie, resztę stanowi zwykła materia, z której jesteśmy zbudowani.

W 2015 roku, naukowcy z Węgierskiej Akademii Nauk poszukiwali ciemnego fotonu - nośnika piątej siły natury [A. J. Krasznahorkay et al. Phys. Rev. Lett. 116, 042501 (2016)]. Podczas zderzania izotopu litu-7 z protonami wytwarzali jądro berylu-8. Niestabilne jądro berylu ulegało natychmiastowemu rozpadowi emitując przy okazji pary elektron – pozyton. Badacze mierzyli kąty między trajektoriami każdego elektronu i pozytonu z pary. Jeśli Model Standardowy prawidłowo opisuje takie rozpady, liczba emitowanych par elektron-pozyton powinna stopniowo spadać wraz ze wzrostem kąta między dwiema cząsteczkami. Ale badacze zamiast tego zaobserwowali wzrost lub nierówność rozkładu pod kątem około 140°. Wyniki wskazywały na obecność nowej cząstki, lecz nie potrafili wyjaśnić, czy mamy do czynienia z nowym nośnikiem oddziaływań. W celu potwierdzenia swoich wyników, naukowcy z Węgier przebudowali swój detektor w latach 2017-2018 i stwierdzili, że wzrost par elektron - pozyton pod kątem 140° pozostaje. Co więcej, znaleźli podobny wzrost sygnału pod kątem 115° w rozpadzie jądra helu-4 (https://arxiv.org/abs/1910.10459). Ponadto, obliczyli, że hipotetyczne cząstki odpowiedzialne za obydwie anomalie, w rozpadzie berylu i helu, miałaby taką samą masę około 17 MeV / c². 

Korelacje kątowe dla par elektron pozyton emitowanych w rozkładzie (a) berylu-8 oraz (b) helu-4.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego (https://arxiv.org/pdf/2006.01151.pdf) przestudiowali dane węgierskich badaczy i na podstawie zmierzonego eksperymentalnie tempa (szybkości) anomalnego rozpadu obydwu izotopów, berylu i helu, wykazali, że wynikające z tego moce oddziaływania (interaction strength) hipotetycznych cząstek z kwarkami są identyczne w obydwu eksperymentach. Równość mas i mocy oddziaływania dla eksperymentów z różnymi izotopami wskazuje na nową cząstkę, która może być nośnikiem piątej siły natury. Według nowej teorii tajemniczą cząstką jest tzw. bozon X. Cząstka ta jest bardzo trudna do wykrycia, ponieważ w ogóle nie oddziałuje ona z protonami i wchodzi w bardzo słabą interakcję z elektronami i neutronami. Niemniej jednak wiele współczesnych laboratoriów posiada już od dawna odpowiednią moc, aby taką cząstkę wytworzyć. Ostateczne potwierdzenie istnienia piątej siły natury wymaga niezależnej weryfikacji eksperymentu węgierskiego w innych laboratoriach. Teraz powinno to być znacznie prostsze, ponieważ wszyscy już wiedzą, gdzie szukać cząstki, która może być nośnikiem takiej siły.

[KF]