Teksty z NIMBa: Po co nam fizyka cząstek?
Po co nam fizyka cząstek?
Print 
PDFMichał Silarski - Asystent w Instytucie Fizyki UJ. Zajmuje się badaniami mezonów K oraz zastosowaniami fizyki jądrowej. Amator szachów oraz tańca ludowego.
Tekst ukazał się w NIMBie 15 (grudzień 2010)
Ten utwór jest dostępny na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Unported.
Fizyka cząstek elementarnych to chyba najbardziej „medialna" dziedzina fizyki ostatnich lat. A wszystko za sprawą Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC, największego i najdroższego akceleratora cząstek na świecie.
TO NIE ZABAWA
Zbudowany za ponad 7 miliardów franków szwajcarskich LHC ma dać odpowiedź na najbardziej fundamentalne pytania współczesnej fizyki, przede wszystkim czy istnieje bozon Higgsa (często określany jako „boska cząstka") oraz jaka jest natura ciemnej materii. Przeznaczenie tak dużych środków na jeden projekt wymaga ciągłego przekonywania opinii publicznej, że nie jest to inwestycja w kolejną „zabawkę" uczonych, lecz w badania, które będą stanowiły przełom w naszym rozumieniu Wszechświata. Co więcej, wyniki tych eksperymentów sprzyjają opracowaniu wielu nowych technologii, które prędzej czy później trafią „pod strzechy". Na przykład, zaprojektowane na potrzeby LHC elektromagnesy nadprzewodzące, wykorzystywane są w urządzeniach wykonujących badania metodą magnetycznego rezonansu jądrowego.
Poza CERN-em istnieje wiele mniejszych i nie tak znanych centrów badawczych zajmujących się fizyką cząstek. Program ich badań nie jest jednak mniej ważny. Skupia się przede wszystkim na testowaniu Modelu Standardowego (teorii opisującej wszystkie znane cząstki i ich oddziaływania), poszukiwaniu nowych egzotycznych form materii (np. jąder i molekuł mezonowych, układów wielokwarkowych, itp.) oraz na fizyce neutrin.
Fizyka cząstek w Instytucie Fizyki UJ
W Instytucie Fizyki UJ prowadzone są prace nad zastosowaniem fizyki cząstek w medycynie i obronności. Grupa pod kierownictwem prof. Pawła Moskala pracuje nad nowym typem tomografów PET, opartych na polimerowych materiałach scyntylacyjnych (szczegóły można znaleźć na stronie www.cittru.uj.edu.pl w części „Oferta technologiczna"). Pozwoli to na znaczne obniżenie kosztów produkcji urządzeń oraz obrazowanie całego ciała pacjenta jednocześnie. W grupie tej rozpoczynają się również prace nad projektem przenośnego wykrywacza materiałów niebezpiecznych, wykorzystującym oddziaływanie neutronów z jądrami materii (tzw. neutronowe techniki aktywacyjne).
CZĄSTKI W AKCJI
Wszystkie eksperymenty prowadzone w ramach badań fizyki cząstek stymulują powstawanie i rozwój technologii, szczególnie w obrębie nowoczesnych systemów elektronicznych i informatyki. Ogromne ilości przetwarzanych danych oraz wymagana precyzja pomiaru np. czasu, wymusza opracowanie niestandardowych rozwiązań, które po pozytywnym przetestowaniu znajdują zastosowanie w przemyśle lub nawet trafiają do naszych domów. Najlepszym przykładem jest GRID, system światowej sieci obliczeniowej i gromadzenia danych, zapewniający możliwość analizy olbrzymiej ilości informacji w rozproszonych po całym świecie centrach komputerowych. Rozwiązanie to pozwala wykorzystać niewyobrażalne moce obliczeniowe dla potrzeb dowolnej dziedziny wiedzy i gospodarki (obecne GRID stosowany jest m.in. w meteorologii). Ponadto, a może przede wszystkim, fizyka cząstek oferuje nam również szereg metod wykorzystujących same cząstki. W medycynie, dobrze znane od kilkudziesięciu lat metody wytwarzania i prowadzenia wiązek w akceleratorach, mogą pozwolić wkrótce na zastąpienie uciążliwej chemioterapii naświetlaniem wiązkami protonów lub jonów (np. węgla). Metody te rozwijane są m.in. w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Od kilkudziesięciu lat wykorzystuje się również kwanty gamma (czyli błyski światła o wysokiej energii) w obrazowaniu ciała oraz procesów fizjologicznych w nim zachodzących. Wśród nich, chyba najmłodsza, tomografia PET pozwala na diagnozowanie wczesnych zmian nowotworowych poprzez rejestrację kwantów gamma, powstających w procesie tzw. anihilacji. Wprowadzony do ciała pacjenta znacznik zawiera radioaktywne izotopy ulegające rozpadom beta. W ich wyniku powstają antyelektrony, które przy zetknięciu z elektronami w ciele pacjenta znikają, a energia obu cząstek zamieniana jest na dwa kwanty gamma. Ich rejestracja za pomocą detektorów pozwala na określenie intensywności rozpadów izotopów i w konsekwencji, na obrazowanie przebiegu procesów zachodzących w organizmie.
UWAGA BOMBA!
Cząstki stosuje się również w obronności do wykrywania substancji niebezpiecznych, np. bomb lub narkotyków, naświetlając podejrzane przedmioty wiązkami neutronów. Ze względu na duża przenikliwość tych cząstek możliwe jest badanie przedmiotów ukrytych np. w bagażnikach samochodów. Metody te są wciąż rozwijane, także w Polsce, i mają duże szanse istotnie zwiększyć bezpieczeństwo naszych granic, urzędów a także żołnierzy na misjach.
Fizyka cząstek, należąc do tzw. nauk podstawowych, ma bardzo duży wpływ na rozwój nowych technologii i innowacji. Ma ona również ogromny potencjał aplikacyjny, ograniczony chyba tylko ilością przeznaczanych na nią środków, bo przecież wyobraźnia i pomysłowość ludzi jest (prawie) nieskończona.