Čo to teda vlastne skúmame?

Autor: Albert Rikardovic | 18.9.2011 o 23:15 | Karma článku: 5,58 | Prečítané:  1220x

Keďže spolupracujem na projektoch jadrových reakcií a identifikácii izotopov, a zároveň na výskume stlačenej baryónovej hmoty, ktoré celkovo nie sú pred všeobecnú verejnosť tak silno predkladané ako výskum vrámci hľadania Higgsovho bozónu, tak by bolo pekné sa pozrieť aj na to, čo sa deje pomimo tento mainsream výskum. O čo teda ide? Pokúsim sa to priblížiť ...

Fázový diagram hmotyFázový diagram hmotyhttp://www.gsi.de/forschung/fair_experiments/CBM/

Dobre, nie je to úplne tak, stlačená baryónová hmota je vcelku ľuďom známa, ide o kvark-gluónovú plazmu a vpodstate cez ňu sa Higgsov bozón hľadá, no mám pocit, že princípy sú slabo vyvetlené a povedané len veľmi povrchne. Najprv však o tých izotopoch a reakciách, to je akési jednoduchšie a intuitívnejšie.

V tomto prípade ide o výskum toho, ako sa správajú jednotlivé atómové jadrá, ako ich spojiť a urobiť čo najťažšie, prípadne, ako ich aktivovať, teda spraviť z ních rozpadajúce sa jadrá, prípadne, ako sa tie prirodzené v prírode rozpadajú, ako reagujú na okolie, ako sa to dá využiť a na čo si treba dať pozor.

 

Čo sa robí, keď sa hľadajú nové izotopy a ťažké, ba až extra ťažké prvky

Základom tohto výskumu je urýchľovač. A veľmi presné detektory. A vedci. O počítačoch už nehovoriac. Takže čo sa v skratke deje - nejaký technik vezme hrudu materiálu, pod hrudou sa myslí niečo, čo váži tisícinu až milióntinu gramu a aj to je veľa. Materiál je zložený z jediného prvku (v mnohých urýchľovačoch je možné použiť od vodíka hocičo až po urán, čiže od toho čo ma v jadre len 1 protón po niečo čo tam má 237 -  92 protónov a zvyšok neutrónov, teda 145).

Ten sa teraz položí do iónového zdroja, zariadenia, ktorý z atómu urobí ión, čiže nabitú časticu. Tento proces prebehne chemicky, alebo za použitia lasera, či iných už vytvorených nabitých častíc. Niektoré zariadenia dovoľujú vytvoriť tzv. plne ionizované jadro. Ide o jadro, ktoré úplne je bez elektrónov v obale. Za pomoci jednoduchého elektrického poľa teraz tieto jadrá, či inak aj nabité častice doputujú do urýchľovača a tam znova sa za použitia elektrického a magnetického poľa urýchlia na vyššie a vyššie rýchlosti, a teda kinetické energie. Následne, keď už dosiahli požadovanú rýchlosť, tak sa vychýlia (nečakane pomocou magnetického poľa) do trubičky, ktorá je tiež vybavená magnetickým a elektrickým poľom, to aby sa častica nezabudla a nevletela tam, kam nemá, až následne doputuje na miesto určenia.

Tu na ňu už čakajú detektory, ktoré najprv zistia, či je na tom mieste kde má byť, takzvané TPC komory - Time Projection Chamber. Tie fungujú asi tak, že sú naplnené plynom, častica vletí cez okienko a keďže už nie je vo vákuu urýchľovača, či trubice, tak začne reagovať s týmto plynným prostredím a to tak, že ho ionizuje, teda vytvára voľné elektróny a kladne nabitý ión. Komora je vybavená vlastným poľom, ktoré naštastie neovplyvní prelietavajúci zväzok častíc, ale za to začne presúvať vytvorý elektrický náboj, elektróny niekam, ióny na opačnú stranu. Elektróny prídu k aktívnej časti, ktorá ma inak nastavené elektrické pole, kde rýchlo naberajú energiu a hneď ju strácajú pri náraze do atómov toho istého plynu a zas ho ionizujú, čiže tvára sa taký lavínový efekt, kde sa signál veľmi zosíli a ten je už možné čítať elektronikou. Ta nám potom ukáže, kde sa častica nachádzala.

zdroj: http://aliweb.cern.ch/secure/TPC/system/files/images/ALICE_tracks.jpg

Keď už vieme, kadiaľ častice zväzku preleteli, tak im do cesty postavíme terč z iného materiálu. Po náraze zväzku do terča existuje určitá šanca, že sa jadrá vzájomne spoja. Či sa tak stalo zisťujú ďalšie detektory. Tie pozerajú ako sa rozpadajú tieto jadrá, ktoré vznikli po zrážke. Každé jadro ma svoju vlastnú schému rozpadu, a tie veľmi ťažké sa rozpadajú alfa rozpadom, čo je v princípe vylietavanie jadier hélia (2 protóny a 2 neutróny) z tohto jadra. Detektory zisťujú energiu týchto alfa a potom sa už len porovnávajú schémy, či je to známe alebo neznáme, a ak je to neznáme, tak sa pozerá na reťazec rozpadov (lebo aj po rozpade je stále jadro veľmi ťažké takže zas vyletí alfa) až kým sa časť schémy nezačne zhodovať s už známymi rozpadmi. Princíp týchto detektorov je iný ako tých predošlých.

Tieto majú za úlohu v sebe úplne pohltiť alfa časticu, takže sa v nich uloží celá jej energia. Táto energia vytvorí úmerné množstvo náboja v detektore a ten, ako signál sa číta. Takto sa teda vytvárajú nové jadrá.

zdroj: http://www.grin.com/object/external_document.243087/d0153af2e339fb1df881fc98f0053f6e_LARGE.png

Dôvodom na takéto hrajkanie sa je hľadanie ostrova stability. Podľa teórie existujú magické čísla, podľa ktorých keď je jadro zložené, tak je stabilnejšie ako jadrá v tabuľke naokolo. Nájdenie ostrovov stability potvrdí teóriu a to zas podporí správnosť chápania prírody.

zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Island-of-Stability.png

Čo sa týka ďalších vecí v rámci tohto výskumu, tak to sú aktivácie jadier, tam do terčových jadier páni vedci strieľajú iba protóny, neutróny alebo alfa častice, či dokonca elektróny a pozerajú, či sa výsledný produkt bude rozpadať, a keď sa bude, tak či rozpad spĺňa fyzikálne zákony, ktoré sa na neho vzťahujú. Overuje sa tak fungovanie prírody v jej základoch. A ak to vezmeme z biologického hľadiska, tak presne tieto veci vedia pomôcť pri hľadaní nádorov a podobne, keďže nádory, či nesprávne fungujúce orgány sa vyznačujú prijímaním kontkrétnych produktov, napríklad štítna žľaza v sebe ukladá iód. Keď do tela pustíme dávku, samozrejme úplne bezpečnú, rádioaktívneho iódu, tak je možné sa pozrieť, či je funkcia štítnej žľazy vporiadku. Na to už potom sú veľké lekárenské detektory, ktoré robia takzvanú PET (pozitron emission tomography).

Alebo také uhlíkové datovanie. To Vám je také jedno vedecké šťastíčko. Uhlíka (ako ste si vy, uhlíkové bytosti mohli všimnúť) je v prírode dosť. A ešte niekedy fakt dávno ho bolo ešte viac, len v tom je to, že uhlík ma viacero izotopov a jeden, konkrétne 14C (6 protónov a 8 neutrónov) je rádioaktívny v nami požadovanej časovej škále, konkrétne jeho čas polpremeny (po starom nazývaná polčasom rozpadu) je 5730 rokov, akurát vpohode na obdobie datovania do plus mínus 500 tis rokov. Takže prečo je tento výhodný? Tento konkrétny izotop sa rozpadá na dusík 14N o 7 protónmi a 7 neutrónmi (14C -> 14N + elektrón), čiže ide o tzv. beta mínus rozpad keď sa neutrón premení na protón a zákon zachovania elektrického náboja má za následok, že je vyžiarený elektrón. Ale čo je podstatné je, že niekedy dávno bolo určité množstvo normálneho uhlíka 12C a nejaké toho nami chceného rádioaktívneho 14C. Existuje určita výmena 14C z pôdy do vody alebo vzduchu alebo naopak. Takže pomery týchto dvoch izotopov sú známe, dokonca aj jeho určitá časová zmena kvôli tvorbe 14C (lebo žiarenie z vesmíru, tzv. kozmické žiarenie vytvára spätne z dusíka 14N uhlík 14C, ale určitá zmena pomeru nastala aj kvôli nukleárnym skúškam v povojnovom období). Ale keď sa nájde nejaký živočích, resp. už iba jeho skelet, tak sa vezme vzorka tkaniva a pozrie sa, že koľko tam toho 14C je, teda koľko rozpadov sa urobí za daný čas a podľa ich počtu sa dá určiť, že ako dlho to v tej zemi už je. Je to aj tým, že keď je to v zemi, tak látková výmena už neprebieha, a teda 14C sa už len rozpadá a pomer sa nevyrovnáva ďalším príjmom 14C. Tož to je to naše šťastie, že sme uhlíkovci, a aj veci žijúce okolo nás sú a uhlík tu má taký fajnový izotop, čo nám ukáže kedy, čo a ako.

 

zdroj: http://www.physlink.com/education/askexperts/Images/ae403a.gif

 

A teraz viac srandy a exotiky - stlačená baryónová hmota

O čo vlastne ide aj tým v LHC v CERNe a ďalším tým, čo chcú čiernymi dierami zničiť svet? O nič také ako je apokalypsa. Len obyčajný Big Bang v malom. Smaozrejme nie úplne od prvopočiatku, ale do času približne 0.000 000 000 001 s po samotnom Veľkom tresku. Ide o čas kvarkov, kedy konečne začali vznikať tieto častice z toho mixu a mišungu, ktorý tam vtedy bol dokonca aj Higgsov bozón sa tu objavil a dodal týmto časticiam hmotnosť.

Dobre najprv ale si vysvetlime čo je tá baryónová hmota. To sú všetky častice, ktoré sú zložené z troch kvarkov, kvarky sú (zatiaľ) základné častice, ktoré formujú hmotu, resp. jej ťažké časti ako sú protóny a neutróny, takže baryónová hmota je vo svojej ľahkej podstate veľmi odborný výraz pre atómové jadrá. Ale sem patria aj rôzne exotické častice, ktoré je možné z kvarkov poskaldať, keďže ich máme 3 generácie - up + down, top + bottom, strange + charm. Ostaňme pri up a down, pretože z nich sú vytvorené spomenuté protóny a neutróny (protón má up + up + down, neutrón up + down + down), keďže len takáto kombinácia im zaručí, že protón má elementárny náboj +1 a neutrón 0 (up má náboj 2/3, down -1/3), potom je tu ešte úloha spinu, pretože protón a neutrón majú spin 1/2 (kombinácie up a down dovoľujú ešte aj spin 3/2 ale to sú už tie exotické častice, ktoré len tak nemáme k dispozícii). Gluóny sú zas prenášače silnej sily, čiže skrz nich sa tieto kvarky držia pohromade. Keďže gluóny majú hmotnosť, tak silná sila má dosah len na určitú časť, teda v rámci jadier.

 

zdroj: http://homelessmanspeaks.files.wordpress.com/2008/06/quark-june-13-2008.jpg

Prečo potrebujeme urýchľovače v tomto prípade? Pretože nám umožnia zrážať tieto častice, resp. jadrá a pri ich zrážkach nastávajú také vysoké teploty, že sa protóny a neutróny vlastne roztavia, a čo dostaneme je súhrn voľných kvarkov a gluónov. Tie medzi sebou neinteragujú, len sa od seba odrážajú ako také guličky na biliardovom stole. Preto sa to nazýva plazma, pretože jej definícia je viac menej presne o tomto. Žiadne interakcie okrem občasných zrážok.

Povedali sme, že je tam vysoká teplota, to znamená, že sa tam uložila veľká energia. Tá má za následok, že môžu vznikať exotické častice, inde nevidené. Vzniknú preto, lebo ujo Einstein povedal jednu krásnu rovnicu, že E=mc2, v tomto prípade vyjadrenie trošku iné m = E/c2. A každá častica, ktorá neporošuje zákony zachovania, ktoré musia platiť, môže byť vytvorená. Ale tieto častice nevydrža dlho, oni sa potvory hneď rozpadnú, takže ako môžme my vedieť, že to tam vzniklo? Zas a znova podľa zákonov zachovania sa tieto častice rozpadajú na iné menej exotické, a tie na ešte menej exotické, či dokonca typické - elektróny, protóny, fotóny a pod. A tie meriame už potom v tých našich veľkých detektoroch. Dáva sa pozor na energiu, ktorú zachytené častice v detektoroch zanechajú a tá sa musí rovnať hmotnosti prvotnej častice. Takto v princípe sa ide späť do udalosti zrážky.

 

zdroj: http://cdn.physorg.com/newman/gfx/news/hires/2-jettingintot.jpg

Ale ako môžme vedieť, že to čo tam bolo bola skutočne kvark-gluónová plazma? No na to máme konkrétne častice na ktoré sa pozrieme, ale nie z hľadiska, či sa vytvorili, ale že koľko ich je. Pretože zákony zachovania hovoria, že by mala platiť symetria, takže čo sa vytvorí jedným smerom sa vytvorí aj druhým smerom. Ale keď je tam tá plazma, tak tá má za následok, že jedným smerom je toho menej, lebo to bolo v plazme pohltené. Ako ale môžme vedieť, že je toho menej? Celkom jednoducho. Keď zrazíme len protóny, tak tej plazmy tam vlastne nieto, alebo ak je, tak trvá tak krátko, že nestihne urobiť žiadnu šarapatu pre vytvorené exotické častice a symetria do strán sa zachováva. Ale keď do seba šupneme dva obrovské jadrá uránu (92 protónov 145 neutrónov, pričom sa berie, že neutrón robí to isté ako protón, takže dohromady 237 nukleónov), tak je tam zrážka 2x237 nukeónov, to dáva okolo 55tis možných zrážok, toto číslo nie je presné ale na predstavu je potrebné vedieť, že tých zrážok je oveľa viac ako 474. Takže vlastne by sme symetricky mali dostať signály, ktoré sú 55tis krát väčšie. Ak ich znormujeme na protónové zrážky (vydelíme tými 55tis) tak by sme mostať to isté číslo. Ak nedostaneme, tak niečo sa tam stalo. Ak je menšie znamená to, že naše chápanie kvark-gluónovej plazmy je správne a výsledok je ten ako chceme. Prvotné merania ešte pred LHC ukázali mnoho nepresností v tomto chápaní, ale to bolo aj tým, že merania neboli dostatočne správne. Prvé výsledky z LHC idú velľmi pekne podľa očakávaní, takže v tomto sa fyzika meniť nemusí. Zatiaľ.

 

zdroj: http://www.gsi.de/forschung/fair_experiments/CBM/Phasendiagram.jpg

A prečo sa toto robí? Tak okrem pohľadu na Veľký tresk je tu zas a znova pochopenie prírody. Pretože hmota tak ako aj voda má svoje stavy. KG plazma je vlastne voda, baryóny sú vlastne ľad, takže existuje niečo ako fázový diagram ako má aj voda a je ozaj zaujímavé vidieť, ako sa tieto makroskopické vlastnostirkadľujú aj v mikroskopickom svete. Či skôr naopak.

 

Tak to je to, čo sa deje, aktuálne okolo mňa. V prípade, že sú né otázky, prípadne niekto nájde nejakú nepresnosť, poprosím, informujte ma, nech to môžem opraviť. A ešte jedna vec, vďaka každému kto vydržal čítať až do konca, viem, je to dlhší článok, ale mal som chuť to dať naraz. V prípade, že chcete aby som sem dal niečo ďalšie, nejaké ďalšie vysvetlenia, tak kľudne sa vyjadrite do diskusie. Ďakujem.

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

DOMOV

Zrušenie amnestií podporila väčšina, Mečiara podržia Smer a SNS

Parlament schválil aj vládnu deklaráciu, ktorá amnestie odsudzuje.

TECH

Astronómovia objavili čudné kvantové pokrútenie vo vesmíre

Zvláštny fenomén kvantovej fyzika sa objavil pri exotickej hviezde.


Už ste čítali?