Choć może się to wydać dziwne, bardzo trudno jest zaobserwować wpływ grawitacji na cząstki elementarne obdarzone masą. Czy grawitacja rzeczywiście działa w świecie kwantów? Odpowiedzi może udzielić analiza danych napływających z międzynarodowego eksperymentu KLOE-2, realizowanego we Frascati we Włoszech. Wytropienia grawitacji w zbieranych danych podjęli się naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku i Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Grawitacja to potężna siła – lecz tylko w skali kosmosu. Na odległościach charakterystycznych dla świata cząstek elementarnych jej wpływ jest tak mały, że zaobserwować go jest wyjątkowo trudno. We włoskim Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej w grudniu 2011 rozpoczęto zbieranie danych w eksperymencie KLOE-2, zaprojektowanym m.in. do badania fizyki cząstek elementarnych zwanych kaonami. Jednym z celów tego eksperymentu jest próba wykrycia grawitacji w świecie kwantów. W przedsięwzięciu bierze udział polski zespół, kierowany przez prof. dr. hab. Wojciecha Wiślickiego z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i prof. dr. hab. Pawła Moskala z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego (IF UJ). Aby zaobserwować wpływ grawitacji na cząstki elementarne, naukowcy wykorzystają jedno z najbardziej podstawowych zjawisk mechaniki kwantowej – interferencję kwantową.

KLOE-2, eksperyment w Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej we Frascati pod Rzymem, polega na zderzaniu wiązek elektronów z ich antymaterialnymi partnerami, pozytonami. Energia zderzeń jest tak dobrana, aby doprowadzała do powstania mezonów Fi zero. Mezony to nietrwałe cząstki, zbudowane z jednego kwarka i jednego antykwarka. Wygenerowane w zderzeniach mezony Fi zero niemal natychmiast rozpadają się na dwa pozbawione ładunku elektrycznego mezony K zero (kaony), które rozbiegają się wzdłuż prostej, w przeciwnych kierunkach. Po przebyciu niewielkiej drogi kaony rozpadają się na mezony pi (piony), rejestrowane przez aparaturę pomiarową eksperymentu KLOE-2.

Neutralne kaony występują w dwóch odmianach: krótkożyciowej i długożyciowej. Dzięki niewielkiej różnicy mas tych cząstek można zaobserwować charakterystyczne, oscylujące widmo ich czasów rozpadów. To właśnie ono szczególnie interesuje naukowców, gdyż ma związek z jednym z najbardziej fundamentalnych zjawisk natury: interferencją kwantową.

W mechanice kwantowej stany cząstek opisuje się za pomocą funkcji nazywanych falowymi. Funkcję falową stosuje się m.in. do wyliczenia prawdopodobieństwa znalezienia się cząstki w tym czy innym stanie. Gdy w układzie mamy więcej niż jeden obiekt kwantowy tego samego typu, ich funkcje falowe nakładają się i dochodzi do ich wzmocnienia w sposób typowy dla zjawiska interferencji. Klasyczną interferencję, np. światła laserowego, można zobaczyć w postaci charakterystycznych prążków na ekranie. Interferencję kwantową daje się obserwować w „falowaniu" wartości związanych z nią parametrów fizycznych. Na przykład w widmie różnicy czasu pomiędzy rozpadami kaonów widoczne są charakterystyczne prążki interferencyjne.

„Interferencja kwantowa jest zjawiskiem wrażliwym na zaburzenia", mówi prof. Wiślicki (NCBJ). Oddziaływanie cząstek z otoczeniem, a nawet sam akt pomiaru, prowadzą do jej zaniku, czyli dekoherencji. „Wyobraźmy sobie sprytnie skonstruowany eksperyment, właśnie taki jak KLOE-2. W izolowanej od otoczenia komorze próżniowej badamy pozbawione ładunku elektrycznego, interferujące ze sobą dwie cząstki elementarne, na przykład kaony. Oddziaływania z polem elektromagnetycznym lub cząsteczkami powietrza dają się wtedy zredukować do małych, nieznaczących wartości. Jedynym niewyeliminowanym czynnikiem zewnętrznym mogącym doprowadzić do zaniku interferencji pozostaje wtedy grawitacja", tłumaczy prof. Wiślicki.

Na odległościach typowych dla świata kwantów grawitacja jest siłą ekstremalnie słabą i trudno zobaczyć jej wpływ na cząstki elementarne. Na szczęście metody interferencyjne są szczególnie czułe na zaburzenia. Prof. Wiślicki podkreśla: „Obliczenia sugerują, że nawet jeśli energia oddziaływania grawitonu (kwantu oddziaływania grawitacyjnego) z kaonem będzie setki miliardów miliardów razy mniejsza od energii oddziaływań jądrowych, będziemy nadal w stanie zaobserwować ten efekt".

Pierwsze zderzenia cząstek w ramach eksperymentu KLOE-2 są już rejestrowane. Ośmioosobowa grupa polskich fizyków, która zajmuje się analizą danych i ich interpretacją teoretyczną , sądzi, że w ciągu roku ilość zebranych informacji powinna wystarczyć do przygotowania wstępnych oszacowań. „Byłoby wspaniale, gdyby udało się nam zobaczyć dekoherencję, a może nawet jej zależność od kierunku grawitacji. Ale nawet jeśli jej nie zobaczymy, to także będzie cenny wynik. Poznamy w ten sposób górne, dotychczas najdokładniejsze, eksperymentalne ograniczenie na kwantowe efekty grawitacyjne", podsumowuje prof. Paweł Moskal z IF UJ.

Badania grupy polskiej są prowadzone dzięki grantowi przyznanemu przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz funduszom strukturalnym Unii Europejskiej.

Pobierz artykuł.