Jest szansa na potwierdzenie wpływu grawitacji na najmniejsze cząstki materii - twierdzą naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku i Instytutu Fizyki UJ. Byłby to pierwszy doświadczalny dowód na to, że grawitacja działa w świecie kwantów.

Dotychczas w żadnym eksperymencie nie udało się zaobserwować wpływu grawitacji na cząstki elementarne obdarzone masą. Nie ma więc doświadczalnego potwierdzenia, że 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 jest najpotężniejszą siłą w skali kosmosu. Na odległościach charakterystycznych dla świata cząstek elementarnych jej wpływ jest jednak tak mały, że bardzo trudno go zaobserwować. We włoskim Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej w grudniu 2011 r. 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. Tak też dzieje się w przypadku kaonów. Naukowcy są przekonani, że dzięki temu zjawisku przyłapią grawitację na gorącym uczynku.

"Interferencja kwantowa jest zjawiskiem wrażliwym na zaburzenia. 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 z NCBJ.

Badacz przekonuje, że w ten sposób da się wykryć nawet bardzo słabe oddziaływanie grawitacji. "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" - podkreśla.

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 (zaburzenie interfencji - PAP), 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" - zaznacza prof. Paweł Moskal z UJ.

Źródło: http://naukawpolsce.pap.pl
Fot.: Marek Pawłowski/ NCBJ