Polscy naukowcy badają zjawiska świetlne – zmienią paradygmaty fizyki?

Zespół specjalistów – wśród których niepoślednią rolę odgrywają polscy uczeni – od 2015 prowadzi badania w szwajcarskim CERN-ie, w ramach programu ATLAS Wielkiego Zderzacza Hadronów. W ostatnim czasie poinformowali oni o ważnym odkryciu. Zaobserwowali oni zjawisko rozpraszania się światła w świetle. Fakt ten może mieć nie tylko duże znacznie dla rozwoju nauki w ciągu kilku najbliższych lat, ale również zmienić podstawy współczesnej teorii fizyki kwantowej, związanej z badaniem zjawisk na poziomie fotonowym.

W świetle teorii
Wspólne prace prowadzą polscy naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, a także badacze z laboratorium DESY w Hamburgu i Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji. W tej chwili analizują oni dane doświadczalne, które uzyskane zostały w trakcie eksperymentów, przeprowadzonych w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą.

Jego podstawą było zderzanie ze sobą ciężkich jonów (wiązek ołowiu), które charakteryzują się bardzo dużym ładunkiem elektrycznym (nawet 82 razy większym od protonu). Celem eksperymentu jest zbadanie tego, w jaki sposób rozprasza się wiązka światła na świetle. Skuteczne przeprowadzenie tego typu doświadczenia jest niezwykle skomplikowanym zadaniem. W ten sposób o możliwościach jego zaistnienia – i zbadania – informował w 2016 roku Instytut Fizyki Jądrowej PAN: „Gdy podczas rozgrywki snookera jedna bila uderzy w drugą, obie sprężyście odskoczą od siebie. W przypadku dwóch fotonów podobnego procesu – zderzenia elastycznego – jeszcze nie udało się zaobserwować. Fizycy z IFJ PAN wykazali jednak, że taki proces nie tylko powinien zachodzić, ale nawet będzie mógł być zarejestrowany w zderzeniach ciężkich jonów w akceleratorze LHC (ang. Large Hadron Collider – Wielki Zderzacz Hadronów).

Wstępne analizy elastycznego rozpraszania fotonów na fotonach zostały zaprezentowane kilka lat temu w jednym z opracowań fizyków Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN). Jednak krakowscy naukowcy, finansowani z grantu OPUS Narodowego Centrum Nauki, zbadali proces znacznie dokładniej. Nie tylko oszacowali, czy do zderzeń dojdzie, ale także uwzględnili więcej mechanizmów interakcji między fotonami i przewidzieli, w których kierunkach po zderzeniu poleci najwięcej fotonów i czy będą one mogły być zmierzone. Wyniki pozwalają przypuszczać, że przynajmniej część fotonów odchylonych wskutek elastycznych zderzeń powinna trafić do wnętrz detektorów zainstalowanych w LHC przy eksperymentach ATLAS, CMS i ALICE. Jeśli więc opisywane zjawisko rzeczywiście zachodzi, a wszystko na to wskazuje, to jego zaobserwowanie staje się możliwe już w najbliższych kilku latach.”
Niezwykle istotną kwestią jest w tym kontekście trudność zaobserwowania ewentualnego zaistnienia konkretnych interakcji na poziomie fotonów. Tym bardziej, że zgodnie z zasadami klasycznej fizyki światło ze światłem nie oddziałuje. Pomimo tego, zgodnie z teorią fizyków IFJ PAN jego fotony mogą jednak wchodzić w interakcję między sobą, w związku z zachodzącymi procesami na poziomie kwantowym. W związku z tym jest możliwe, że w minimalnie krótkim odcinku czasu, wytworzą się miedzy cząsteczkami światła wirtualne pętle z kwarków lub leptonów (do których należą elektrony, miony, taony, stowarzyszone z nimi neutrina oraz ich antycząstki).

W świetle tej teorii, choć tego typu cząstki mają w gruncie rzeczy charakter wirtualny, i nie można ich tak naprawdę zaobserwować, to jednak są one odpowiedzialne za konkretne oddziaływania między fotonami. Jednocześnie, po zaistnieniu tego typu interakcji, wirtualne cząstki ponownie przekształcać się mogą w rzeczywiście istniejące i w 100% obserwowalne fotony. Cały proces dla zewnętrznego obserwatora widoczny byłyby jedynie jako odbijanie się jednego fotonu od drugiego.

Trzy z trzynastu wystarczą?
– Elastyczne zderzenia fotonów z fotonami wydawały się dotychczas bardzo mało prawdopodobne. Wielu fizyków uznawało, że zarejestrowanie takich zderzeń w akceleratorze LHC jest wręcz niemożliwe. Tymczasem my udowadniamy, że zjawisko może być widoczne, choć nie w kolizjach protonów, które zachodzą dużo częściej – mówi prof. dr hab. Antoni Szczurek IFJ PAN.
W ramach programu ATLAS, naukowcy podjęli się zadania zaobserwowania tego typu zjawiska – pomimo przewidywanej trudności znalezienia dowodów zaistnienia teoretycznego jak dotąd procesu. Jest tak przede wszystkim z tego względu, że przyczyną niewidoczności zderzania elastycznych kolizji między protonami jest fakt przesłaniania ich przez fotony, które oddziałują także na innych niż badane, znacznie bardziej widocznych polach, przede wszystkim w obszarze silnych oddziaływań jądrowych.

W związku z tym niezwykle istotnym elementem pracy badawczej jest odnalezienie właściwych i konkretnych dowodów, potwierdzających prawdziwość zakładanej teorii. Jak stwierdził na antenie RMF FM członek zespołu badawczego, pracującego w CERN dr Mateusz Dyndał: „Nagraliśmy miliardy takich zderzeń, związanych ze zderzaniem wiązek protonów. Tylko trzynaście z nich jest kandydatami na opis tego procesu. To statystycznie bardzo mało. Myślę, że podwojenie statystyki spokojnie wystarczyłoby, żeby potwierdzić teorię. Natomiast w tym przypadku niezmiernie ważne jest oszacowanie tła. Tak naprawdę spośród tych trzynastu zaobserwowanych kandydatów spodziewamy się, że tylko trzy spośród nich to jest tło. To z nich można coś wyciągnąć.”

Naukowiec zwraca uwagę na fakt, że by móc zaobserwować te trzy wybrane spośród trzynastu zjawisk w całym eksperymencie zrealizować należy najpierw bardzo dużą ilość zderzeń (liczoną w miliardach prób), a następnie przeanalizować wszystkie dane, z nimi związane. Potrzebne są do tego klastry obliczeniowe, będące w stanie właściwie analizować tak duże, liczone w terabajtach, zbiory danych.

100.000.000 kanałów elektroniki
Badania, o których mowa, mogą mieć zasadnicze znaczenie dla zmiany istniejącego paradygmatu naukowego, w efekcie potwierdzenia m.in. istnienia ciemnej materii (będącej póki co teoretyczną strukturą, charakteryzującą się nieemitowaniem i nieodbijaniem promieniowania elektromagnetycznego – jej istnienie potwierdzają tylko i wyłącznie wywierane przez nią efekty grawitacyjne). Jest tak dlatego, że odkrycie zjawiska rozpraszania się światła w świetle wykracza poza założenia Modelu Standardowego, będącego obecnie podstawą opisu budowy materii w skali cząstek elementarnych. Powstał on w latach 70-tych ubiegłego wieku.

Dokonywane w tej chwili odkrycia z pewnością staną się podstawą, na bazie której prowadzone będą też dalsze eksperymenty. Kolejnych informacji w tej kwestii, wynikających z kolejnych badań zespołu, pracującego w ramach programu ATLAS, spodziewać się należy w 2018 roku. Podkreślić należy rolę polskich naukowców w tej kwestii.

Już w momencie powstania CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych) w 1964 roku Polska była jedynym krajem z Europy Wschodniej, który posiadał w nim status obserwatora. Fakt wysokiej renomy, i przede wszystkim kompetencji w świecie współczesnej fizyki potwierdza udział uczonych z AGH i IFJ PAN w eksperymencie ATLAS. Jak informuje CERN: „jest to potężny detektor zbudowany w celu badania zderzeń protonów na Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). W wyniku tych zderzeń powstają tysiące cząstek, które są śledzone przez aparaturę. Detektor ATLAS składa się z wielu „pod-detektorów” do pomiaru różnych właściwości cząstek.” Jego średnica wynosi 25 m, a długość części centralnej 26 m (rozmiar hali eksperymentalnej to 46 m). ATLAS waży 7.000 ton. Posiada 100.000.000 kanałów elektroniki, a także 3.000 km kabli.