Przyzwyczajono nas do tego, że front badań eksperymentalnych w fizyce mikroświata , to głównie ta technologia , w której musimy zastosować olbrzymie energie rzędu 10* 10^12 eV[ 10 TeV ].Stąd podstawowym instrumentem badawczym są rozmaitego typu i różnej mocy akceleratory , czyli przyspieszacze cząstek elementarnych.
Naładowane cząstki elementarne są przyspieszane w kombinacjach pól elektrycznych i magnetycznych do wielkich energii kinetycznych i doprowadzane do zderzeń w przeciwbieżnych strumieniach .Podczas zderzeń [oddziaływania] występują transformacje cząstek, produkcja nowych rodzajów cząstek i anihilacja pewnej liczby cząstek zderzających się, oraz wydzielane są różne formy energii [ np. energia cieplna, kwanty promieniowania elektromagnetycznego].
Prawdopodobnie rozmiary akceleratorów rosną wielokrotnie szybciej od wzrostu energii cząstek. S.Weinberg obliczył kiedyś , że akcelerator rozpędzający cząstki do energii rzędu 10^16 GeV musiałby być umieszczony w tunelu próżniowym o długości zbliżonej do obwodu Ziemi.
A jednocześnie nie przeoczmy tego faktu ,że każdy akcelerator wymaga równoczesnego wspomagania innych aparatów ,przede wszystkim detektorów cząstek i systemu komputerowego sterowania, oraz opracowania danych uzyskiwanych z pomiarów.
Tunel LHC [Imagen CERN]
LHC [Large Hadroni Collider] w CERN-ie jest kaskadowym systemem , którego pierwszy stopień akceleracji, to liniowy akcelerator przyspieszający protony do energii rzędu 50MeV,a następnie kierowane są one do układu dwóch synchrotonów , gdzie uzyskują energie rzędu 30 GeV ,skąd wpadają do super-synchrotronu i po uzyskaniu energii rzędu 0,5 TeV wtryskiwane są do głównego pierścienia ,w którym ostatecznie uzyskuję energie 3-10 TeV.
System jest umieszczony w ziemi na średniej głębokości 100 m , w betonowym tunelu kolistym o długości 27 km, czynnych jest w nim ponad 1600 magnesów nadprzewodzących w temperaturze 1,9 K utrzymywanej przez obecność ok.100 ton nadciekłego helu 4 i całość jest zintegrowana z siedmioma detektorami cząstek. LHC pracuje w organizmie światowej sieci komputerowej [The Worldwide LHC Computing Grid –WLCG] ok.40 narodowych centrów badawczych fizyki, a ogólną liczbę pracowników mających dostęp do danych pomiarowych i wykonujących analizy wyraża się w tysiącach osób. LHC jest więc największym instrumentem badawczym , jaki kiedykolwiek zbudowano w dziejach rozwoju nauki .
Jednak równolegle do tej tendencji rozwijania “big science” [1], tendencji o skutkach ujemnych takich jak :centralizacja i globalizacja twórczości naukowej człowieka, zanik wolności w wyborze problematyki badawczej, zanik instrumentarium badawczego uczelni krajowych, niemożliwość powtarzalności danego eksperymentu [z uwagi na unikalność aparatury, koszty i organizację], zależność badacza od sfer finansowo-przemysłowych i wojskowych,itd. rejestrujemy odrodzenie się “little science”.
Ma to miejsce właśnie w fizyce mikroświata, w fizyce kwantowej. Pisałem już o tym kiedyś ,jak w magneto-gazo-dynamice można przyspieszać cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym , bez stosowania klasycznych przyspieszaczy [2].Najciekawsze horyzonty penetracji życia atomów i cząstek elementarnych odsłaniane są w intensywnym rozwoju gałęzi fizyki zwanej optyką kwantową.
Pionierem tego kierunku fizyki kwantowej spełniającego kryteria “little science “ jest austriacki fizyk prof. Anton Zeilinger z zespołem na uniwersytecie wiedeńskim z którym współpracuję grupy polskie [np.gdańska pod kierunkiem prof. Marka Żukowskiego].
“Little science”żyje i rozkwita w narodowych uniwersytetach ,bez korelacji z globalnymi centrami bankowymi i wojskowymi, tworząc prawdziwe wspólnoty profesorów i studentów poszukujących nie apanaży i blichtru medialnej sławy, lecz prawdy o strukturze i procesach przyrody.
I właśnie w Nowej Zelandii , na uniwersytecie Otago[w Dunedin],grupa badawcza optyki kwantowej pod kierunkiem dr N. Kjærgaarda [starszy wykładowa na wydziale fizyki] pokazała , że można rozwijać fizykę kwantową eksperymentalną i dokonywać odkryć wielkie wagi poznawczej, bez miliardów dolarów, bez formowania biur administracyjnych z setkami biurokratów i bez maszyn badawczych zajmujących tysiące hektarów powierzchni ziemi.
dr Niels Kjærgaard
W pracy opublikowanej 1 kwietnia br. [3] przedstawiono oryginalne narzędzie do operowania pojedynczymi atomami, przenoszenia ich z jednego miejsca na drugie, powodowania ich zderzeń, dzielenia, łączenia grup atomów.
Układ do pułapkowania optycznego [ Modular Optical Tweezers -Thorlabs catalog ]
Jest nim tzw. “pinceta optyczna” [optical tweezers],czyli promień laserowy o specjalnej przestrzennej strukturze natężenia , a mianowicie: rozkład natężenia w kierunku prostopadłym do kierunku propagacji światła może być z dobrym przybliżeniem opisany funkcją Gaussa .
en.wikipedia [eric tombs]
Okazuje się ,że przy spełnieniu warunku rezonansu optycznego ,padający promień laserowy powoduje efekt przyciągania nano-obiektu , na który pada i pułapkowania go [ wzmiankę bardziej szczegółową czytelnik może znaleźć w mojej notce [4] ].
Promień ten jest sterowalny modulatorem akustyczno-optycznym , w którym wykorzystuje się bardzo ciekawy efekt sprzężenia fal akustycznych ze światłem i dzięki temu nano-obiektem można dowolnie manipulować.
W eksperymencie nowozelandzkim nano-obiektami były ultrazimne atomy rubidu tworzące tzw. kondensat Bosego [BEC]. BEC to skupisko atomów, które są chłodzone [również laserowo] do temperatury 100 *10^(-9)K powyżej zera absolutnego. W tej temperaturze atomy tracą swoją indywidualną tożsamość, a zachowują się jak jeden przedmiot makroskopowy, prawie jak superatom.
Przed zderzeniem, Fot . z pracy [3]
Zastosowano pracujące jednocześnie dwie wiązki laserowe wzdłuż osi OX oraz OZ. Pęsetą optyczną podzielono grupę atomów w stanie BEC na 32 mniejsze ,a następnie doprowadzono do zderzenia wybrane dwie “córki” i zaobserwowano procesy kwantowe występujące w tym akcie.
Fot.university Otago,atomic physics group [M.Anderson]
Różnica w odniesieniu do tego, co dzieje się w tunelu LHC – CERN polega na tym ,że w tych eksperymentach atomy mają prędkości rzędu cm/s.Celnie więc wyraził się kierownik zespołu badawczego dr Niels Kjærgaard :
“w Otago uruchomiliśmy Littlest Hadron Collider”.
Literatura
[1].P.Galison, Big Science: The Growth of Large Scale Research.,Stanford University,1994
[3]K. O. Roberts, T. McKellar, J. Fekete, A. Rakonjac, A. B. Deb, N. Kjærgaard, Steerable optical tweezers for ultracold atom studies, Optics Letters Vol. 39, 7, 2014,str. 2012–2015 , DOI:
10.1364/OL.39.002012 , arxiv.org: 1312.5784v1
