Gimnazjum nr 81 - Warszawa - Bemowo > Aktywna Szkoła > Fizyka-spotkania z naukowcami

Pan prof. dr hab. Zygmunt Lalak jest profesorem nadzwyczajnym Uniwersytetu Warszawskiego na Wydziale Fizyki w Instytucie Fizyki Teoretycznej. Specjalizuje się w fizyce teoretycznej wysokich energii.

Część I: Pan Profesor Zygmunt Lalak

- Dlaczego wybrał Pan Profesor studia z dziedziny fizyki i specjalizację fizyka teoretyczna?
- Od zawsze pasjonowała mnie matematyka i myślalem o podjęciu studiów czysto matematycznych. Jednak pod koniec nauki w  liceum zauważyłem, że równie interesujące jak czysta abstrakcyjna matematyka mogą być jej zastosowania do opisu Wszechświata lub zastosowania inżynierskie. W efekcie znalalem się na Politechnice Warszawskiej na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, który wydawał się otwierać szeroką perspektywę dla takich aplikacji (obecnie tego wydziału już nie ma, podzielił sie na dwa osobne wydziały - fizyki i matematyki). Podczas studiów okazało sie, że lepiej odnajduję się w rozważaniach teoretycznych niż w laboratoriach i zdecydowałem się  skręcić zdecydowanie w stronę teorii.

- Dlaczego akurat fizyka wysokich energii? Co w niej Pan Profesor widział?

- Fizyka wielkich energii zadaje fundamentalne pytania o najbardziej podstawowe prawa przyrody opisujące oddziaływania najbardziej podstawowych składników materii. Te pytania wydawały mi się najważniejsze a odpowiedzi na nie wymagały użycia najbardziej zaawansowanych środków matematycznych, co zawsze było dla mnie niezwykle pociągające.  Podobało mi się też to, że bardzo abstrakcyjne rozważania nabierają w fizyce oddziaływań fundamentalnych nieoczekiwanie konkretnych znaczeń i mogą być porównywane z wynikami pięknych i bardzo subtelnych doświadczeń. Nie bez znaczenia było spotkanie z profesorem Grzegorzem Białkowskim, do którego udałem się na rozmowę przed podjęciem decyzji o wyborze kierunku studiów indywidualnych. Profesor Białkowski na pytanie o najciekawsze aspekty współczesnej fizyki odpowiedział bez wahania, że najciekawsza jest fizyka wielkich energii i że sam się własnie tym zajmuje. Uwierzyłem mu i nigdy tego nie żałowałem.  
 

Część II: LHC – Boska Cząstka

- Głównym tematem jaki chciałbym omówić z Panem Profesorem jest temat Wielkiego Zderzacza Hadronów. Jak wiadomo działa on już od ponad 2 lat (z przerwami), a o słynnej boskiej cząstce nadal nic nie słychać. Czy mógłby Pan Profesor powiedzieć, co ona ma właściwie nam dać, czego będziemy mogli się dzięki niej dowiedzieć? Czy kiedy ją odkryjemy będziemy mogli już w 100% odpowiedzieć na pytanie „Jak Wszechświat powstał”?

- Odkrycie cząstki Higgsa (zwanej czasem boską cząstką)  powinno dać nam odpowiedź na pytanie w jaki sposób przyroda nadaje masy bozonom cechowania przenoszącym oddziaływania słabe, tzn bozonom Wi Z. W bardziej formalnym języku oznaczać to będzie poznanie natury naruszenia symetrii elektrosłabej. To pozwoli nam zbudować teorię opisującą oddziaływania fundamentalne przy energiach znacznie przewyższających masy bozonów W i Z. Wierzymy, że tak wielkie energie miały cząstki wypełniające wczesny Wszechświat, zatem odkrycie cząstki Higgsa pozwoli nam opisać najwsześniejsze etapy ewolucji obserwowanego Wszechświata. Jeżeli nie odkryjemy cząstki Higgsa w przedziale energii dostępnym w LHC, to będzie to także niezmiernie ważna wskazówka, która oznaczać będzie konieczność zmiany pewnych kanonów rozumowania w fizyce oddziaływań fundamentalych, na przykład konieczność zrewidowania naszego sposobu patrzenia na problem hierarchii skal energetycznych w fizyce cząstek elementarnych.

 

- Hipotetycznie bozon Higgsa żyje niezmiernie krótko, ok. dziesięciu milisekund (1/1000 s). Czy to nie za krótko, aby móc się o niej dowiedzieć zadowalająco dużo?
- Eksperymenty prowadzone w wielkim zderzaczu hadronów są tak zaprojektowane, że do końca 2012 roku będzie można wykluczyć istnienie cząstki Higgsa o masie mniejszej niż 460 GeV (masy bozonów W i Z to ok. 100 GeV). Z drugiej strony można będzie uzyskać wyraźne sygnały pozytywne, jesli cząstka Higgsa z masą leżącą w tym zakresie naprawdę istnieje.

Nawet jeśli jakaś cząstka żyje bardzo krótko, jak cząstka Higgsa, to nie znika ona bez śladu, ale przekształca się w inne, długożyjące cząstki, które już można bezpośrednio zidentyfikować w detektorach. Mierząc energie i pędy (także ich kierunki) tych końcowych cząstek i porównując częstości występowania różnych stanów końcowych jesteśmy w stanie powiedzieć bardzo dużo o niestabilnych cząstkach występujących w stanach pośrednich badanych procesów. W ten sposób uzyskamy informacje o cząstce Higgsa.

-Jakie nowe teorie fizyczne testowane będą w LHC?
- Przede wszystkim chcemy się dowiedzieć jak wygląda teoria oddziaływań fundamentalnych przy bardzo dużych energiach, przewyższających masy słabych bozonów cechowania W i Z.

Jeśli ta teoria jest podobna do Modelu Standardowego (SM), który dobrze opisuje fizykę przy niskich energiach, to najbardziej prawdopodobnym rozszerzeniem SM jest teoria supersymetryczna, w której każdej cząstce towarzyszy tzw superpartner – cząstka o takich samych ładunkach ale innym wewnętrznym momencie pędu. Superpartnerzy mogą zostać odkryci w LHC. Również lekki bozon Higgsa, wyrażnie lżejszy niż 160 - 200 GeV, będzie wyraźną wskazówką za supersymetrią. Jeżeli bozon Higgsa okaże się cięższy, to będzie to wskazówka za tzw silnie sprzężonymi rozszerzeniami Modelu Standardowego, których strunktura jest w pewnym stopniu podobna do struktury sektora SM opisującego oddziaływania silne, lub za istnieniem dodatkowych wymiarów przestrzennych.

Część III: LHC – antymateria i czarne dziury

- Czym właściwie różni się materia od antymaterii. Kiedy niewnikliwe przestudiuje się jej temat można dojść do wniosku, że tylko i wyłącznie znakiem ładunku elektrycznego?

- Ładunek elektryczny nie jest jedynym ładunkiem, który przypisujemy cząstkom. Cząstki oddziałujące oddziaływaniami elektrosłabymi mają pewną związaną z tym charakterystykę, podobnie jest z cząstkami oddziałującymi silnie. Cząstkom oddziałującym silnie przypisujemy na przyklad liczbę barionową, która jest zachowana przy dostępnych energiach tak jak ładunek elektryczny. Antycząstki różnią się od cząstek wszystkimi tymi charakterystykami.

Istnieją cząstki, które są swoimi własnymi antycząstkami, na przykład fotony. Z teoretycznego punktu widzenia istnienie antycząstek jest głęboką konsekwencją działania praw mechaniki kwantowej i niezmienniczości praw fizyki względem tak zwanych przekształceń Lorentza (tzn obowiązywania szczególnej teorii względności). W procesach fundamentalnych antycząstki uczestniczą tak samo jak cząstki, nie ma między nimi jakiejś fundamentalnej różnicy. Natomiast w obserwowanym Wszechświecie widzimy wyrażną nadwyżkę cząstek nad antycząstkami. Jest to konsekwencją zjawisk zachodzących we wczesnym wszechświecie i może być opisywane tylko w teoriach wykraczających poza Model Standardowy.
 

- Czy nie jest niebezpieczne jej wytwarzanie? Wystarczy przecież jakikolwiek jej kontakt z materią, dochodzi do anihilacji i wytworzona energia mogłaby spowodować dość dużą katastrofę. Czy byłoby możliwe pozyskiwanie w przyszłości energii z niej? W końcu nie mielibyśmy problemu z utylizacją odpadów.
- Antycząstki wytwarzane są w laboratoriach od dawna – dobrze znane są pozytony czyli anty-elektrony i antyprotony. Trudniej jest wytworzyć stabilne złożone obiekty zbudowane z antycząstek.

Energia wytworzona podczas anihilacji cząstki z antycząstką jest taka  jak suma energii tychże cząstek przed anihilacją, bo energia jest zawsze zachowana. Wszystkie duże skupiska materii i antymaterii, które byly dostaecznie blisko siebie, żeby wejść w proces anihilacji juz dawno się nawzajem zanihilowały. Natomiast ilośc antymaterii wytwarzanej w laboratoriach jest zbyt mała, żeby wyprodukować wielkie ilości energii. Zysk energetyczny z takiej anihilacji jest  ograniczony, ponieważ najpierw trzeba zużyć energię na wytworzenie antymaterii z materii.

Część IV: LHC – otrzymywane dane

- Jak fizycy radzą sobie z tak ogromną liczbą generowanych danych? Jak je analizują?
- Do rejestracji danych z LHC potrzeba rocznie 20 PetaBytów pamięci, tj ok. 100 tys. Dysków o pojemności 200 GB każdy. Dane po wstępnej selekcji są zapisywane i udostępniane członkom zespołów zaangażowanych w eksperymenty prowadzone w LHC. Zespoły te są bardzo liczne i ich członkowie pracują na codzień poza laboratorium CERN, w swoich macierzystych instytucjach. Dane są udostępniane za pomocą kilkupoziomowego systemu zarzadzania danymi. W samym laboratoirium działa duża grupa informatyków nieustannie doskonaląca oprogramowanie umożliwiające dostęp do danych i nadzorująca sam proces gromadzenia danych. Z gromadzeniem i udostępnianiem tak licznego zbioru danych wiążą się poważne problemy techniczne i teoretyczne, wielu ludzi w laboratorium zajmuje się wyłącznie tymi problemami. Fizycy są „użytkownikami końcowymi” tej części systemu.

- Słyszałem kiedyś o pojęciu „grid”. Czy mógłby Pan Profesor powiedzieć czym ono właściwie jest?

- Wszechświatowa siatka obliczeniowa LHC (Worldwide LHC Computing Grid – WLCG) jest globalną siatką, w której węzłach znajduje się ponad 140 centrów obliczeniowych w 34 krajach oraz eksperymenty LHC. Siatka ta tworzy infrastrukturę umożliwiającą zbieranie, przechowywanie i  udostępnianie oraz szybką analizę danych wytwarzanych w LHC. Siatka ma kilka poziomów. Na najwyższym poziomie „0” znajduje się CERN, na poziomie „1” 11 centrów połączonych z CERNem liniami przesyłowymi o wielkiej przepustowośći, w których gromadzi się, proporcjonalnie do ich pojemności, częściowe kopie danych wytwarzanych w LHC. Pozostałe ośrodki używają tylko wybranych podzbiorów wszystkich danych. Polska jest jednym z użytkowników gridu na poziomie „2” (3 ośrodki w Krakowie, Poznaniu i Warszawie).

- Ostatnie pytanie jakie chciałbym zadać i które cały czas mnie dręczy brzmi:
„Jeżeli przed powstaniem wszechświata było nic, to jak z tego nic pojawiły się tam jakiekolwiek cząstki?”

- Pytanie o bardzo wczesny Wszechświat jest trudne także dlatego, że trzeba uwzględnić oddziaływanie grawitacyjne, które może być wtedy równie silne jak oddziaływania silne i elektrosłabe. Nie wiemy jak wyglada kwantowa teoria oddziaływań grawitacyjnych, choć istnieją co najmniej dwie ciekawe propozycje – teoria strun fundamentalnych i grawitacja pętlowa. Mogło być tak, że na najwcześniejszych etapach ewolucji Wszechświata energia zgromadzona była w polu grawitacyjnym (w geometrii Wszechświata) i jego (jej) fluktuacjach, po czym część tej energii przekształciła się w wyniku procesów kwantowych w cząstki znane obecnie. Możliwe jednak, że cząstki istniały zawsze. Najprawdopodobnej współistniały z kwantową geometrią. Odpowiedź na pytanie co działo się jeszcze wcześniej wykracza poza dziedzinę stosowalności współczesnej fizyki. Należy raczej do szeroko pojętej metafizyki.

Rozmowę przeprowadził Jakub Dziuba

Zamknij Ta strona używa plików cookies. Dowiedz się o celach i zasadach ich wykorzystywania.
Korzystając ze strony wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z ustawieniami swojej przeglądarki.