Metaliczny wodór i tajemnicze neutrina

Metaliczny wodór i tajemnicze neutrina

Fizycy z laboratorium CERN pod Genewą donieśli o wytworzeniu po raz pierwszy atomów antymaterii. Prawie równocześnie fizycy amerykańscy z laboratorium im. Fermiego pod Chicago ogłosili, że znaleźli dane świadczące o istnieniu struktury kwarków. Wydaje się jednak, że rok 1996 przejdzie do historii przede wszystkim ze względu na to, iż po kilkudziesięciu latach starań udało się wreszcie otrzymać wodór w stanie metalicznym. Dokonali tego fizycy amerykańscy William Nellis, Arthur Mitchell i Samuel Weir w Laboratorium im. Lawrence'a w Livermore w Kalifornii. Ich praca zamieszczona w numerze „Physical Review Letters" z 11 marca wywołała jednak dużo mniejszy oddźwięk w prasie, nastawionej raczej na sensacje w fizyce mikroświata. Tymczasem otrzymanie metalicznego wodoru wieńczy długi ciąg badań rozpoczęty klasyczną pracą Wignera i Huntingtona, którzy w 1935 roku jako pierwsi rozważali, w jakich warunkach najlżejszy pierwiastek może przejść w stan metaliczny.

Ciekły wodór cząsteczkowy zachowuje się przy normalnym ciśnieniu jak izolator ze względu na dużą wartość przerwy energetycznej dzielącej zapełnione pasmo walencyjne od pustego pasma przewodnictwa.

Tymczasem w metalach pasmo przewodnictwa jest częściowo zapełnione przez elektrony, które mogą obsadzać pozostałe nie zapełnione poziomy, co daje łatwość ich poruszania się w próbce, a więc dobre przewodzenie prądu elektrycznego. Naturalną drogą do uzyskania wodoru w stanie metalicznym wydawało się stosowanie bardzo wysokich ciśnień w celu zmniejszenia przerwy energetycznej tak, aby elektrony mogły się przedostawać do pasma przewodnictwa.

Dotychczasowe badania prowadzono, poddając ciśnieniu wodór zestalony. Jednak mimo stosowania ciśnień ponad dwa miliony razy większych od atmosferycznego nie udawało się zaobserwować przejścia w stan metaliczny. William Nellis i jego współpracownicy postanowili pójść inną drogą i poddać ciśnieniu wodór w stanie ciekłym. Próbkę cieczy umieszczano między specjalnymi kowadełkami wykonanymi z tlenku aluminium i stosując metodę udarową uzyskiwano wysokie ciśnienia 80 180 GPa. Przypomnijmy, że ciśnienie atmosferyczne wynosi zwykle około 1000 hPa, czyli około 105 Pa. Ciśnienie 100 GPa, czyli 1011 Pa jest więc około milion razy większe od atmosferycznego.

Badacze amerykańscy dokonywali pomiaru oporu właściwego poddawanej ściskaniu próbki. Zgodnie z oczekiwaniami okazało się, że przy wzroście ciśnienia od 80 do 140 GPa opór właściwy ciekłego wodoru malał wykładniczo o prawie cztery rzędy wielkości. Tymczasem począwszy od 140 GPa opór właściwy przestał zależeć od ciśnienia, pozostając przy wartości około 500 mV 3 cm, typowej dla ciekłych metali alkalicznych, jak cez i rubid. Wynik ten dowodzi, że próbka przeszła w stan metaliczny.

Fizyka zjawiska jest taka, że zastosowanie wysokiego ciśnienia spowodowało zmniejszenie się przerwy energetycznej między pasmami do około 0.3 eV. Była to wartość porównywalna z energią ruchu termicznego elektronów w temperaturze 3000 K występującej w doświadczeniu, toteż część z nich mogła przechodzić do pasma przewodnictwa, nadając próbce wodoru właściwości metaliczne.

Wyniki doświadczalne Nellisa i kolegów odbiegają od dotychczasowych przewidywań teoretycznych, według których opór właściwy metalicznego wodoru miał być około 100 razy mniejszy. Otrzymanie metalicznego wodoru ma wielkie znaczenie nie tylko dla lepszego zrozumienia zjawiska przechodzenia pierwiastków w stan metaliczny, ale także dla fizyków zajmujących się fuzją jądrową, a przede wszystkim dla astronomów, którzy będą mogli zbudować znacznie bardziej realistyczne modele budowy Jowisza i innych planet-gigantów Układu Słonecznego, które składają się przeważnie z wodoru. Na przykład w centralnej części Jowisza panuje ciśnienie kilkadziesiąt milionów razy większe od naszego ciśnienia atmosferycznego oraz temperatura kilkadziesiąt tysięcy kelwinów. W tych warunkach znajdujący się tam wodór musi być w stanie metalicznym. Obecne dane laboratoryjne pozwolą lepiej oszacować rozmiary metalicznego jądra.

Najnowsze odkrycia w fizyce mikroświata były przedmiotem referatów i dyskusji podczas XXVIII Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii, której zaszczyt organizacji po raz pierwszy przypadł Polsce. W ostatnim tygodniu lipca 1996 roku, kiedy udział w obradach brało 900 fizyków z 53 krajów, Warszawa była stolicą fizyki cząstek elementarnych.

Wszyscy oczekiwali z niecierpliwością na referat omawiający wyniki świadczące o istnieniu struktury kwarków. Jednak sensacji nie było. Po drobiazgowej analizie wyników dwóch rywalizujących kilkusetosobowych zespołów ustalono, że wprawdzie ich doświadczenia dają bardzo podobne rezultaty, ale różnica w stosowanych metodach teoretycznych prowadzi do nieco odmiennych wniosków. Zgodzono się więc, że obecnie nie można jeszcze mówić o odkryciu struktury kwarków, należy natomiast znacznie polepszyć obraz teoretyczny, zwłaszcza wyjaśnić rolę gluonów.

Przypomnijmy, że według obecnych poglądów kwarki są najmniejszymi (i nadal uważanymi za niepodzielne) składnikami protonów, neutronów i wielu innych cząstek, a gluony spełniają rolę „kleju", który te kwarki spaja (ang. glue - klej). Sposób układania się kwarków i gluonów w cząstkach fizycy opisują za pomocą funkcji struktury. Ich znajomość w przypadku gluonów pozostawia wiele do życzenia, toteż pogłębienie naszej wiedzy w tej dziedzinie to program na najbliższe lata.

Wielką sensacją konferencji warszawskiej było przedstawienie przez fizyków japońskich zupełnie jeszcze „gorących" wyników z ostatnich tygodni, dotyczących obserwacji neutrin słonecznych. Neutrina należą nadal do najbardziej tajemniczych cząstek i do tej pory, na przykład, nie wiadomo, czy i jaką mają masę. Należą one do najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie cząstek, powstają między innymi w procesach jądrowych we wnętrzach Słońca oraz gwiazd i jest nimi wypełniony cały Wszechświat. W każdej sekundzie przez nasze ciało przechodzą tysiące neutrin, ale tego zupełnie nie odczuwamy, ponieważ cząstki te niezwykle słabo oddziałują z materią i mogą nawet ze znacznym prawdopodobieństwem przenikać bez trudu przez kulę ziemską.

Uruchomiony ogromny detektor cząstek zwany Superkamiokande, został „wycelowany" w Słońce w celu zmierzenia docierającego do nas stamtąd strumienia neutrin. Imponujące rozmiary detektora zawierającego aż 50 tys. ton ultraczystej wody, otoczonej siecią fotopowielaczy rejestrujących promieniowanie powstające przy oddziaływaniu neutrin z materią, pozwoliły naukowcom po raz pierwszy prowadzić badania na nieosiągalnym wcześniej poziomie. Już w poprzednich eksperymentach „teleskopy neutrinowe" wykazywały tylko około połowy strumienia neutrin oczekiwanego na podstawie znajomości ilości energii wysyłanej przez Słońce. Trwające od lat sześćdziesiątych badania były niezwykle trudne, wymagały zauważenia bardzo słabego sygnału i dawały wyniki obarczone dużymi błędami. Nie wszyscy więc byli przekonani, że obserwowany deficyt liczby neutrin ze Słońca został dobrze oceniony.

Tymczasem w ciągu dwóch miesięcy fizycy japońscy uzyskali wyniki porównywalne z tymi, które przedtem żmudnie zbierano przez długie lata. „Kryzys neutrinowy" został potwierdzony ponad wszelką wątpliwość i teraz przed fizykami i astrofizykami staje poważne zadanie znalezienia wyjaśnienia tego faktu.

Możliwości jest kilka. Wszyscy raczej odrzucają tę, że pomyłka leży w przyjętym przez astrofizyków modelu Słońca, ponieważ świetnie sprawdza się on w innych sytuacjach. Bardziej prawdopodobne wydaje się, że neutrina są obdarzone niewielką masą, o czym przebąkiwano od dawna, mimo podręcznikowego stwierdzenia, że są to cząstki o masie zerowej. Ta możliwość tłumaczyłaby też kontrowersyjne wyniki eksperymentu zespołu LSND z Los Alamos (patrz: Czy neutrino ma masę?, „WiŻ" nr 1/1996). Jest wreszcie hipoteza z pogranicza science fiction, że ze Słońca wysyłane są neutrina „sterylne", które nie dają o sobie znać w ziemskich detektorach.

We wrześniu, już po konferencji warszawskiej, pojawiły się wyniki dokładnej analizy zmienności w czasie obserwowanego na Ziemi strumienia neutrin słonecznych. Już przedtem ustalono, że strumień ten - wbrew wcześniejszym podejrzeniom - nie jest skorelowany ze zmianami aktywności słonecznej. Obecnie dwaj fizycy ze Stanfordu, Peter Sturrock i Gnther Walther, przeanalizowali wszystkie dane światowe i doszli do wniosku, że liczba neutrin dochodzących ze Słońca zmienia się periodycznie z okresem 21.3 dni. Trzeba będzie znaleźć wytłumaczenie tej periodyczności.

Na konferencji w Warszawie przedstawiono także sensacyjne wyniki uzyskane w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą przy badaniu zderzeń jąder ołowiu rozpędzonych w tamtejszym potężnym akceleratorze. Po raz pierwszy uzyskano mocny dowód na powstawanie w takich zderzeniach nowego stanu materii, tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej, w której te cząstki są ze sobą chaotycznie wymieszane w pewnej objętości, a nie „poukładane", tak jak w protonach, neutronach i innych cząstkach.

Według naszej wiedzy taki stan materii istniał w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, z którego powstał Wszechświat. Przy zderzeniu dwóch jąder ołowiu ponad 400 nukleonów (protonów i neutronów) znajduje się przez krótką chwilę sprasowane w bardzo niewielkiej objętości. Ocenia się, że gęstość energii osiąga wtedy momentalnie wartość przewyższającą 2.5 gigaelektronowoltów na femtometr sześcienny. Jest to gigantyczna wielkość. Żeby ją przybliżyć wyobraźni powiemy, że jest to gęstość, jaka powstałaby gdyby w objętości główki od szpilki (około 1 mm3) skupić momentalnie energię, jaką cała nasza planeta otrzymuje od Słońca w ciągu 73 lat!

„Zupa" kwarkowo-gluonowa powstająca przy tak gigantycznej gęstości energii bardzo skutecznie wpływa na cząstki, które są układami kwark-antykwark. Efekt takiego „rozpuszczania" cząstek w tej gorącej „zupie" zaobserwowano eksperymentalnie, badając częstość występowania cząstki J/psi, łatwej do wydzielenia spośród „szumu" innych sygnałów.

Spośród wielu ważnych wyników przedstawionych i dyskutowanych na konferencji warszawskiej wymieńmy jeszcze usunięcie - dzięki powtórzeniu analizy doświadczalnej - pewnych rozbieżności, które w ciągu ostatniego roku rzucały cień na poprawność tzw. Modelu Standardowego - obowiązującego obrazu mikroświata (patrz: Czy neutrino ma masę?, „WiŻ" nr 1/1996). Jak się wyraził jeden z referentów, wbrew rozsiewanym pogłoskom o złym stanie zdrowia tego modelu, ma się on świetnie, a coraz liczniejsze i dokładniejsze pomiary wprost nieprzyzwoicie dobrze zgadzają się z przewidywaniami teorii. Ostatnio tak przyzwyczailiśmy się do odkrywania nowych pierwiastków, że prawie bez echa przeszło doniesienie o otrzymaniu w Instytucie Ciężkich Jonów (GSI) w Darmstadt pierwiastka nr 112 (patrz: Synteza nowego pierwiastka, „WiŻ" nr 4/1996). Jest więc coraz bliżej do oczekiwanej dla pierwiastka nr 114 „wyspy stabilności".

Miniony rok przyniósł dalsze postępy w badaniu otrzymanego w ubiegłym roku kondensatu Bosego-Einsteina (patrz: Czy neutrino ma masę?, „WiŻ" nr 1/1996). W krótkim czasie po pierwszym eksperymencie, w którym zaobserwowano taki kondensat w układzie około 2000 atomów rubidu, w kilku innych laboratoriach uzyskano kondensat atomów litu i sodu oraz znacznie powiększono liczbę manipulowanych atomów. W maju zespół z MIT ogłosił o otrzymaniu kondensatu złożonego aż z 5 mln atomów. W tym wypadku ten niezwykły twór miał już całkiem duże rozmiary, około 150 mm długości i 8 mm średnicy, można więc go było sfotografować przy użyciu czułej kamery.

Ciekawych odkryć dokonuje się jednak nie tylko w badaniach obiektów mikroświata. Oto, na przykład, zespół fizyków amerykańskich z Brookhaven i Uniwersytetu Stanu Oregon doniósł o otrzymaniu wolframianu cyrkonu, który w odróżnieniu od znanych materiałów kurczy się wraz ze wzrostem temperatury w dużym zbadanym przedziale 0.3-1050 K.

Dotychczas znano jedynie nieliczne substancje, które wykazywały anomalie rozszerzalności cieplnej w niewielkim zakresie temperatury, albo tylko w jednym wymiarze (na przykład niektóre materiały ceramiczne kurczą się w jednym wymiarze, ale zwiększają długość w pozostałych dwóch). Nowa substancja o składzie chemicznym ZrW2O8 wykazuje ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej we wszystkich trzech wymiarach i z pewnością znajdzie szerokie zastosowanie w produkcji materiałów złożonych, potrzebnych w sytuacjach, w których wymagane jest zmniejszenie rozszerzalności cieplnej do minimum.