ČUDESNI PLJUSAK MIONA
(U fokusu) Ako raširite ruke i okrenete dlanove ka nebu, za jedan minut kroz njih će proći oko 500 miona koje je stvorilo kosmičko zračenje. Snopovi ovih zanimljivih, gotovo čudesnih elementarnih čestica – od kojih 10.000 svakog minuta sleti na kvadratni metar površine Zemlje – sve do nedavno nisu mogli da se „ohlade“ i koriste u eksperimentima kao elektroni ili protoni. Sada je međunarodni eksperiment u kome je učestvovalo i nekoliko istraživača sa našeg Instituta za fiziku u Beogradu pokazao da je to izvodljivo. Naime, kolaboracija MICE objavila je u prestižnom časopisu „Nature“ rezultat eksperimenta koji pokazuje da je moguće hladiti mione.
Ilustracija prikazuje skicu pljuska miona kakav pada na jedan od brojnih detektora ovih čestica, u opservatoriji Pierre Auger u Argentini. Mioni na Zemlju inače stižu zbog kosmičkog zračenja, a svojevremeno, 1936. godine, tako su ih i otkrili američki fizičari Karl Anderson i Set Nedermejer. Oni su tada u magnetnom polju uočili nepoznate čestice iz kosmičkog zračenja koje su se ponašale kao elektroni, ali im je masa bila prevelika. Sa masom između elektrona i protona, isprva su svrstani u grupu „srednje teških“ čestica, mezona, pa su dugo i nosili naziv „mi mezoni“.
Sredinom 20. veka, drevna Demokritova ideja, lepa i jednostavna, o svetu sačinjenom od elementarnih čestica pretvorila se bila u noćnu moru (kako to biva sa lepim i jednostavnim idejama). Novi eksperimenti su iz godine i godinu otkrivali nove čestice sa novim svojstvima – uz neutrone i protone, saznalo se za postojanje pi, K, eta mezona, potom lambda, sigma, omega i drugih bariona – bila je to čitava šuma čestica koje je bilo teško i pobrojati, a pretendovale su na elementarni status osnovnih gradijenata materije.
Pokazaće se da svi ti novootkriveni hadroni (porodica u koju spadaju i proton i neutron) zapravo nisu uopšte elementarni i da se „unutar njih“ nalaze elementarnije čestice, večno uzajamno zarobljene, koje će sredinom šezdesetih godina Mari Gel-Man nazvati kvarkovi, kao omaž Džejmsu Džojsu. To je omogućilo da se svi oni brojni barioni snimani u mehurastim komorama shvate kao čestice koje su neka od kombinacija 3 kvarka, dok su nešto lakši mezoni sačinjeni od 2 kvarka. Veći deo poznatog sveta inače čine samo dve kombinacije kvarkova, one koje grade stabilni proton i neutron, ali ima ih dosta nestabilnih.
Mi mezoni se, međutim, nisu uklapali u ovu sliku hadrona sačinjenih od kvarkova jer su se pokazali kao bitno drugačiji, nezgodan član porodice mezona. Oni su više ličili na braću elektrona – gotovo u svemu su bili nalik na njih, samo sa masom koja je oko 200 puta veća i sposobnošću da prodiru dublje u materiju. Kako na njih ne deluje jaka interakcija, postalo je jasno da uopšte nisu sačinjeni od kvarkova i da zapravo i nisu mezoni. Ime će im zato i biti promenjeno u mioni.
Stadardni model koji strukturu materije opisuje dvema grupama čestica, leptonima i kvarkovima (i česticama prenosiocima interakcije) svrstaće mione, zajedno sa elektronima, u leptone. Njih ima šest – to su elektron, mion i taon, i uz njih, tri njihova neutrina, pri čemu svaka od ovih čestica ima svoje antičestice.
Mioni prirodno nastaju sudarom visokoenergetskih zraka, kosmičkim zračenjem, sa česticama u višim slojevima atmosfere. U nizu prvo nastaju pioni, koji se raspadaju na mione i neutrina. Mioni, potom, u pljusku sa visine od oko 10 kilometara padaju na tlo. Sve to ne zvuči čudno – čestice se stalno sudaraju ovako i onako – kad ne bi bilo jednog sasvim zbunjujućeg detalja.
Mioni su, kao i većina čestica, nestabilni. Njihov srednji životni vek je oko dva milionita dela sekunde nakon čega se raspadnu na elektron i dva neutrina. Međutim, srednje vreme života miona je tako kratko da oni pri brzini kojom se kreću ne bi trebalo da prevale put veći od par stotina metara, a oni ipak padaju sa visine od 10 kilometara. Mioni se moraju raspasti mnogo pre nego što dodirnu vaše šake, a eksperimenti pokazuju da oni ne samo da stižu do tla, nego prodiru i više od 100 metara duboko u Zemlju. Kako je to moguće?
Mioni su, naime, živi dokaz ispravnosti Ajnštajnove specijalne teorije relativnosti. Oni se kreću izuzetno brzo, gotovo brzinom svetlosti, pa stoga postaje evidentno da vreme ne teče jednako u njihovom sistemu i u sistemu posmatrača koji ih na Zemlji čeka sa raširenim rukama. Ova takozvana vremenska dilatacija dovodi do toga da njihovo kratko svojstveno vreme raspada u sistemu koji miruje, na Zemlji, traje mnogo, mnogo duže, sasvim dovoljno da mioni pređu svoj put.
Na drugoj strani, hlađenje miona i jeste izazov zbog njihovog kratkog života, pa su zato retko korišćeni u eksperimentima na akceleratorima. Međunarodni tim MICE eksperimenta koji okuplja istraživače iz cele Evrope pokušao je osmisli način da se snop miona ohladi jonizacijom. U tome su učestvovali i dr Dimitrije Maletić, dr Dejan Joković i dr Mihailo Savić sa Instituta za fiziku u Beogradu, a uz njih su na eksperimentu iz Srbije bili angažovani i dr Jovana Nikolov i dr Nikola Jovančević sa Departmana za fiziku Prirodno-matematičkog fakulteta u Novom Sadu.
—
Tekst: S. Bubnjević
Fotografija: A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret – Pierre Auger Observatory (EurekAlert CC)
—
Više o MICE eksperimentu: www.ipb.ac.rs/vesti/nasi-istrazivaci-mice/
Ovu i druge priče možete čitati i na www.naukakrozprice.rs