Objavljeno: 29.03.2017. 11:09

Objašnjeno jedno od temeljnih svojstava kratkoživućih čestica

Fizičari s Instituta Ruđer Bošković i Sveučilišta u Tuzli (BiH) te student fizike sa Sveučilišta u Zagrebu su proučavajući ponašanje kratkoživućih pobuđenja nukleona, čestica od kojih je građena atomska jezgra, pronašli moguće objašnjenje za jedno od najneobičnijih svojstava pobuđenih stanja.

Kratkoživuće čestice

Komadići materije, od molekula i atoma, do atomskih jezgra i nukleona, mogu se u sudarima s drugim komadićima pobuditi i dobiti neka nova svojstva. Tako mogu promijeniti svoj električni naboj, a često mijenjaju i spin – magnetsko svojstvo koje kao da dolazi od vrtnje čestice oko svoje osi.

No sve rezonancije imaju neka temeljna svojstva. Imaju rezonantnu energiju koja nam kaže na kojoj energiji sudara nekih manjih komadića materije možemo očekivati da vidimo rezonanciju. I zaista je vidimo kao krivulju koja nalikuje na zvono i koja ima vrh na toj energiji. U fizici čestica, u kojoj je ovo otkriće napravljeno, energija je preko poznate Einsteinove relacije povezana s masom rezonancije.

Osim energije, odnosno mase rezonancije, glavna karakteristika svake rezonancije je da je ona nestabilna, da se raspada na manje čestice. Prosječno vrijeme za koje se ona raspadne opisujemo veličinom koja je obrnuto proporcionalna vremenu i u kvantnoj fizici ima dimenziju energije. Zovemo je širina raspada jer odgovara širini koju ima ona zvonolika krivulja. Treće svojstvo je vjerojatnost raspada na različite manje čestice – na neke se raspada s većom vjerojatnosti, na druge s vrlo malenom.

Svojstva rezonancija

ceci-slika1

Sve to se čini logično, ali već dugo znamo da za mnoge rezonancije nije točno. Ona zvonolika krivulja im nije simetrična, rezonantna energija nije na njezinom vrhu, a širina raspada nije jednaka širini te krivulje. Mnogi istraživači su razvijali napredne pristupe za opis ovih kompliciranih krivulja iz kojih je bilo sve teže precizno odrediti ova tri temeljna svojstva rezonancija.

No u novije vrijeme se sve više koristi fundamentalno različit pristup bliži kvantnoj mehanici. U njemu energija nije više samo neki normalan realan broj, već je postala kompleksna – ima i realan i imaginaran dio. Realan broj pomnožen sam sa sobom daje pozitivan broj, kao što je minus dva puta minus dva jednako četiri. Imaginaran broj ima uz sebe imaginarnu jedinicu “i”, a pomnožen sam sa sobom daje negativan broj, pa je dva “i” puta dva “i” jednako minus četiri.

Loading the player...

Sve kompleksne energije nalaze se u jednoj ravnini. U toj ravnini rezonancije su beskonačnosti, a rezonantna energija i širina direktno su povezane s položajem te beskonačnosti, odnosno njezinim realnim i imaginarnim dijelom. Da bi se dobila vjerojatnost raspada potrebno je tu beskonačnost pomnožiti s nulom. Na taj način dobiva se kompleksan broj. No on se, kao i svaki drugi kompleksan broj, sastoji od dva realna broja. Jedan od tih brojeva, njegov modul koji daje udaljenost tog broja do ishodišta, bio je povezan s tom vjerojatnošću. No za drugi broj, koji zovemo faza i daje kut prema x osi, nije bilo jasno čemu služi. 

Istražujući nukleonske rezonancije primijećeno je da se njihova faza može dobiti kao zbroj dvaju kutova koji su geometrijski jako dobro definirani. U subatomskoj fizici to nije bilo poznato pa su istraživači opisali svoj nalaz i poslali ga u znanstveni časopis kako bi i kolege iz drugih područja fizike mogli provjeriti njihove zaključke. Nalazi su objavljeni u interdisciplinarnom časopisu sa slobodnim pristupom Scientific Reports.

Do ovog otkrića došlo se na zanimljiv način. Razvijajući formulu koju empirički pronašao dr.sc. Branimir Zauner 2013. godine (objavljena je u prestižnom časopisu Physical Review Letters) zapeli smo, kaže dr.sc. Saša Ceci, glavni autor na ovom radu. Nismo mogli dobro objasniti što se događa kad rezonancija nastane u sudaru dvije lakše čestice, a onda se raspadne na neke druge. No kad se raspadne na iste, radilo je baš kako treba.

U tom trenutku u istraživanje se uključio student fizike Anđelo Percan koji je pripremao zadnji seminar prije diplomskog rada. Dolazio bi svaki dan na IRB i svaki put bi donio pregršt novih pitanja. Na mnoga smo odgovarali odmah, dok na neka nismo imali odgovor ni nakon više dana razmišljanja i pretraživanja literature. Jedno od tih tvrdokornih pitanja, što je ta faza i zašto iznosi toliko koliko iznosi, bilo je i povod za istraživanje koje je rezultiralo objavom ovog članka. Često se kaže da su u znanosti od pravih odgovora važnija prava pitanja, a tako je bilo i sada.

Za geometrijsko objašnjenje faze bilo je potrebno nacrtati trokut u kompleksnoj ravnini energije. U njegovim vrhovima su kompleksna energija na kojoj se nalazi beskonačnost, realne energije koje je jednaka masi manjih čestica iz kojih nastaje rezonancija, takozvane energije praga reakcije i, što je najneobičnije od svega, stara masa rezonancije - rezonantna energija iz one prve, zastarjele interpretacije. 

Geometrijska interpretacija

Da bi se potvrdilo ovo objašnjenje, bilo je potrebno pokazati da ono nije samo slučajnost koja se zbog velike jednostavnosti modela poklopila za neke rezonancije, već da vrijedi i u realnim slučajevima. Tu su uskočili kolege iz Tuzle, doc.dr.sc. Mirza Hadžimehmedović i doc.dr.sc. Hedim Osmanović, stručnjaci za veoma napredan i potpuno neovisan pristup za određivanje svojstava rezonancija. Zanimljivo je da je i on razvijen na IRB-u od dr.sc. Alfreda Švarca. Pokazalo se da se tuzlanski rezultati, kad se prošire po kompleksnoj ravnini energije, u bitnom poklapaju s novim rezultatima iz Zagreba.

Otkrićem da ovaj jednostavni model dobro opisuje veoma komplicirane kratkoživuće sustave dobiven je alat za daljnja istraživanja rezonancija ne samo u fizici nukleona već i mnogo šire. Novi rezultati već se pripremaju za publiciranje, a u njima se analiziraju neobična svojstva nekoliko mezonskih rezonancija lakših od nukleona, kao i svojstva čestica gotovo stotinu puta težih od nukleona kao što je Z bozon.

Više o kvantno-mehaničkim svojstvima rezonancija kao beskonačnosti i kompleksnim brojevima i funkcijama koje se prikazuju bojama možete saznati u popularnom predavanju dr. sc. Saše Cecija održanom u sklopu TEDx Sveučilišta u Zagrebu.