Kwarki

Wiemy już, że jądro atomowe składa się z protonów i neutronów. Szybko okazało się, że protony i neutrony nie są jedynymi cząstkami ciężkimi, ale należą do licznej grupy hadronów. Wszystkie hadrony to masywne cząstki i do ich wytworzenia stosuje się potężne akceleratory przyśpieszające cząstki do olbrzymich energii. W przeciwieństwie do sześciu leptonów, hadronów jest bardzo dużo i już to skłania do przypuszczenia, że są to cząstki złożone z bardziej elementarnych składników. Przyjęto, że wszystkie hadrony (w tym protony i neutrony) składają się z kwarków. Jednak natychmiast musi pojawić się pytanie: Jak to jest możliwe, skoro proton ma elementarny ładunek elektryczny i mniejszych ładunków w przyrodzie nikt nigdy nie obserwował? Jakie są więc ładunki kwarków? Czyżby były mniejsze niż ładunek protonu i elektronu, uznawany za elementarny? Tak jest. Hipoteza, którą w 1964 roku wysunęli amerykańscy fizycy – Murray Gell-Mann i George Zweig, zakłada, że kwarki mają ładunki stanowiące 2/3 oraz -1/3 ładunku protonu. Kwark o ładunku 2/3 nazwano górnym (po angielsku „up”) i oznaczono symbolem $\text{„}u\text{”}$, a kwark o ładunku -1/3 nazwano dolnym (po angielsku „down”) i oznaczono symbolem $\text{„}d\text{”}$.

Czy można „zbudować” proton i neutron z trójek kwarków $u$ i $d$? Proponujemy Ci małą łamigłówkę: zanim zaczniesz czytać dalej, spróbuj „skonstruować” proton i neutron z trójek kwarków $u$ i $d$ tak, aby ładunek protonu równy był +1, a ładunek neutronu 0.

Rozwiązanie łamigłówki jest dość proste: proton składa się z dwóch kwarków $u$ i jednego $d$, a neutron z dwóch kwarków $d$ i jednego $u$. Można to przedstawić graficznie, jak na przykład na il. 3.117.

Na rysunkach kwarki oznaczono kolorami: niebieskim, zielonym i czerwonym. Nie zrobiono tego przypadkowo! Te kolory symbolizują ładunki kwarkowe. Znamy ładunki elektryczne (plus i minus), dzięki którym cząstki oddziałują elektrycznie. Kwarki mają też swoje ładunki, dzięki którym oddziałują między sobą. Są to trzy rodzaje ładunków (w przeciwieństwie do dwóch rodzajów ładunków elektrycznych). Ładunki kwarkowe mają cechy podobne do cech kolorów podstawowych (też są to trzy kolory, z ich złożenia można otrzymać dowolny kolor, mogą się wysycać oraz neutralizować, dając kolor biały). Oddziaływania międzykwarkowe noszą nazwę oddziaływań silnych.

Kwarki oddziałują za pomocą tzw. ładunków silnych, które są w pewnym sensie analogią ładunków elektrycznych. Wiemy, że istnieje tylko jedna „para rodzajów” ładunku elektrycznego: tzw. dodatni, np. ładunek protonu czy pozytonu, oraz przeciwny mu – ujemny (pomyśl o nim jako o „antydodatnim”), np. ładunek antyprotonu czy elektronu.

Zgodnie ze stanem obecnej wiedzy, kwarki są cząstkami fundamentalnymi i nie mają wewnętrznej struktury. Znamy sześć rodzajów kwarków i tyleż rodzajów antykwarków. Kwarki $u$ i $d$ składają się na jedną z trzech dwuelementowych rodzin kwarków, jakie do dziś odkryto. Istnieją teoretyczne podstawy, by sądzić, że więcej takich rodzin w przyrodzie nie ma. Pozostałe dwie rodziny zawierają kwarki $s$ i $c$ (z angielskiego: strange – dziwny i charm – powabny) oraz $b$ i $t$ (beauty – piękny i truth – prawdziwy).

Bariony i mezony

W przyrodzie występują trzyelementowe kombinacje kwarków (każdy z tych kwarków w innym kolorze), tworzące dość liczną rodzinę cząstek zwanych barionami. Jedyny stabilny barion to proton (swobodny neutron, z połowicznym czasem życia około kilkunastu minut, podlega przemianie ${\beta }^{-}$, jednak może istnieć dowolnie długo jako składnik stabilnych jąder atomowych). W pozostałych barionach kwarki $s$ i $c$ oraz $b$ i $t$ ulegają kolejnym przemianom, analogicznym do przemiany $\beta$, co ostatecznie doprowadza do zamiany tych barionów w protony. Połowiczny czas życia niestabilnych barionów jest bardzo różny: od ok. ${10}^{-8}\text{s}$ do ok. ${10}^{-23}\text{s}$. W tej skali swobodny neutron zasługuje na miano cząstki niemal stabilnej.

Oprócz barionów istnieje druga grupa cząstek oddziałujących silnie – są to mezony. W skład każdego wchodzi para kwark – antykwark. Przykładem jest mezon $\pi$, którego znane są trzy odmiany: ${\pi }^{+}$, ${\pi }^0$ i ${\pi }^{-}$. Na il. 3.119 pokazano skład mezonu $K^{-}$. Nie jest znany żaden stabilny mezon. Na początku rozwoju fizyki jądrowej mezonom przypisywano rolę elementarnych nośników oddziaływania silnego między nukleonami. Dziś wiemy, że obraz ten był jedynie przybliżeniem, a za elementarne nośniki oddziaływania silnego uważamy gluony.

Gluony

Kwarki tworzą zwarte obiekty, takie jak protony i neutrony dzięki oddziaływaniom silnym; te same oddziaływania wiążą protony i neutrony w jądra atomowe. Teoria, która opisuje oddziaływania kwarków, jest nazywana chromodynamiką kwantową. Zgodnie z nią łączenie kwarków w obiekty złożone odbywa się za pośrednictwem nośników oddziaływań, którymi są cząstki zwane gluonami. Oddziaływanie odbywa się przez wymianę gluonów między kwarkami. Analogiczny opis występuje w elektrodynamice kwantowej – przyjmuje się, że oddziaływanie między naładowanymi elektrycznie obiektami następuje przez wymianę fotonów. Obrazowo przedstawia się gluony w postaci „sprężynek” łączących parę kwarków (il. 3.120).

Niezwykłą cechą oddziaływań silnych jest to, że ich siła rośnie wraz ze zwiększaniem odległości między oddziałującymi kwarkami, czyli odwrotnie niż w przypadku znanych nam oddziaływań: grawitacyjnych lub elektromagnetycznych, powodujących, że siła oddziaływania zmniejsza się, kiedy odległość się zwiększa. Gdy więc kwarki znajdują się bardzo blisko siebie, to zachowują się tak, jakby były swobodne. Kiedy jednak odległość między nimi się powiększa i staje się porównywalna z rozmiarami nukleonu, to siła oddziaływania nie pozwala na dalsze zwiększanie odległości między nimi. Mówimy, że kwarki i gluony są uwięzione w protonach i neutronach (także w innych barionach i w mezonach).

Przy tej okazji możemy objaśnić odpowiedniość między kolorami (ładunkami) kwarków a kolorami znanymi z optyki. W optyce kombinacja kolorów RGB (czerwonego, zielonego i niebieskiego) w jednakowych proporcjach daje kolor biały. Przyjmuje się zasadę, zgodnie z którą bariony są „białe”, czyli mają „zerowy” wypadkowy ładunek kolorowy. Zapewniają to trzy różne kolory kwarków wchodzące w jego skład. W przypadku mezonów zasada ta jest spełniona przez połączenie w parę kwarku (wybranego koloru) i antykwarku koloru dopełniającego do wybranego koloru, tak jak na il. 3.119.

Niemożność rozdzielenia kwarków obrazowo można przedstawić za pomocą łączącej je sprężyny. Kiedy sprężyna nie jest naciągnięta, kwarki zachowują się jakby były swobodne wewnątrz nukleonu. Kiedy próbujemy je rozdzielić, sprężyna się naciąga, a gdy energia ich wzajemnego oddziaływania jest tak duża, że wystarcza do wyprodukowania nowej pary kwark – antykwark, sprężyna pęka i z uwolnionej energii tworzy się właśnie taka para. Proces ten jest zobrazowany na il. 3.121.

Jeśli nie odkryjemy żadnych nowych zjawisk w tym zakresie, to kwarków w stanie swobodnym – poza wnętrzem barionów i mezonów – nie będziemy mogli zaobserwować.

Leptony

Inną niż kwarki grupę cząstek uznawanych dziś za elementarne tworzą leptony. Podstawową ich cechą jest brak zdolności do oddziaływań silnych. Grupujemy je – podobnie jak kwarki – w trzy dwuskładnikowe rodziny:

• $\text{(}{e}^{-};{\nu }_e\text{)}$ – elektron i neutrino elektronowe;
• $\text{(}{\mu }^{-};{\nu }_{\mu }\text{)}$ – mion i neutrino mionowe;
• $\text{(}{\tau }^{-};{\nu }_{\tau }\text{)}$ – taon i neutrino taonowe.

Najbardziej znanym leptonem jest elektron, który jest cząstką stabilną. Natomiast mion i taon są nietrwałe – orientacyjne średnie czasy ich życia to odpowiednio $2\cdot {10}^{-6}\text{s}$ i $3\cdot {10}^{13}\text{s}$. Zaskakujące jest pod tym względem zachowanie neutrin: nie zaobserwowano ich rozpadów, ale w ich wiązkach stwierdzono zjawisko zwane oscylacją: neutrina z jednej rodziny przeobrażają się w neutrina innej i z powrotem. Ilustruje to wykres na il. 3.122, pochodzący ze strony http://neutrino.fuw.edu.pl/pl, poświęconej doświadczeniom neutrinowym z udziałem polskich naukowców.

Elektron, mion i taon oddziałują elektromagnetycznie z otoczeniem; mają też zdolność do oddziaływań słabych. Elektrony są składnikami materii na poziomie atomowym. Miony i taony mogą zastępować elektrony w atomach, ale takie struktury są nietrwałe ze względu na krótki czas życia tych leptonów.

Neutrina nie wchodzą w żadne znane kompleksowe struktury materii. Są one pozbawione ładunku elektrycznego, mają więc tylko zdolność do oddziaływań słabych. Z tego wynika stosunkowo niewielki zasób naszej wiedzy o neutrinach – bardzo rzadko zdarza się uchwycić oddziaływanie neutrina z materią; nie tworzą one też stanów związanych z pozostałą materią. Nie potrafimy – mimo prowadzonych badań – nawet dokładnie określić masy neutrin; dziś wiadomo jedynie, że cząstki te mają masy różne od zera, ale kilkaset tysięcy razy mniejsze niż masa elektronu. Więcej informacji o współczesnych doświadczeniach z neutrinami znajdziesz też na stronie www.fuw.edu.pl/~neutrina/.

Bozony oddziaływania słabego

Współczesna fizyka przyjmuje, że oddziaływania między elementarnymi obiektami polegają na wymianie między nimi elementarnych nośników oddziaływania. Wspólna nazwa tych nośników to bozony pośredniczące. Zgodnie ze współczesną wiedzą takimi bozonami są fotony, które przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne (dokładniej: składową elektromagnetyczną oddziaływania elektro-słabego). Bozonami są także gluony, które przenoszą oddziaływania silne między kwarkami. Oddziaływanie słabe (dokładniej: składowa słaba oddziaływania elektrosłabego) może być przenoszone przez którykolwiek z trzech bozonów oddziaływania słabego: $W^{+}$, $W^{-}$ lub $Z^0$.

Istotną cechą oddziaływania słabego jest jego bardzo krótki zasięg – ok. ${10}^{-18}\text{m}$ (przypomnijmy, że zasięg oddziaływania elektromagnetycznego jest dowolnie duży, a zasięg oddziaływania jądrowego między nukleonami jest nieco większy niż ${10}^{-15}\text{m}$). Ma to związek z dość dużą masą bozonów $W$ i $Z$, kilkadziesiąt razy większą od masy nukleonu. Analogiczny związek występuje między zerową masą fotonu a nieskończonym zasięgiem przenoszonego przez niego oddziaływania. Tych związków nie możemy tu omawiać, gdyż musielibyśmy posłużyć się pojęciami z zakresu fizyki kwantowej.

Uzupełnieniem zestawu bozonów jest hipotetyczny jeszcze grawiton. Przypuszczamy, przez analogię, że taki bozon istnieje, że przenosi oddziaływanie grawitacyjne oraz że ma zerową masę (bo oddziaływanie to ma dowolnie duży zasięg). Nie potrafimy jeszcze wytworzyć warunków do zarejestrowania pojedynczych grawitonów, ponieważ oddziaływanie grawitacyjne jest najsłabszym ze znanych oddziaływań. Takie doświadczenia, podobnie jak detekcja i nadawanie fal grawitacyjnych, mogą być możliwe dopiero w przyszłości.

Struktura materii a ewolucja Wszechświata. Plazma gluonowo-kwarkowa

Prowadzone obecnie badania reakcji jądrowych przy najwyższej osiąganej w laboratoriach energii to nie tylko poszukiwanie tego, co najmniejsze. To także „podróż do początków Wszechświata”. Na jednym z wczesnych etapów jego ewolucji z kwarków i gluonów zaczęły formować się nukleony. Przed tym etapem temperatura i gęstość Wszechświata były na tyle duże, że kwarki nie były połączone w wyraziste trójki, lecz wraz z gluonami tworzyły plazmę (ten stan materii bywa nazywany „zupą gluonowo-kwarkową”). Taką właśnie plazmę już dziś potrafimy wytworzyć na Ziemi za pomocą akceleratorów, w materii jądrowej podczas zderzenia dwóch ciężkich jąder.

Na il. 3.123 – il. 3.126 pokazano cztery etapy takiego procesu, symulowanego za pomocą modelu UrQMD (ang. Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics), który stosowany jest obecnie do opisu reakcji jądrowych wysokich energii. Zderzenie dwóch jąder ołowiu następuje przy energii równej 160 GeV na nukleon. Gdyby każda cząstka „zwykłej materii” obdarzona była, średnio rzecz biorąc, taką energią, to temperatura tej materii wynosiłaby ok. $6\cdot {10}^{14}\text{K}$. Materia kwarkowa w takim zderzeniu istnieje przez około ${10}^{-23}$ sekundy, po czym kwarki łączą się w cząstki (bariony i mezony), które mogą być rejestrowane przez urządzenia detekcyjne.

Czy stan plazmy kwarkowo-gluonowej istnieje obecnie gdzieś w przyrodzie? Jeśli tak, to tylko w centralnych obszarach gwiazd neutronowych. Istniał zapewne w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Właśnie wtedy, w pierwszych mikrosekundach, spełnione były odpowiednie warunki; olbrzymia gęstość, a przede wszystkim niezwykle wysoka temperatura – czyli olbrzymia energia zderzających się cząstek. Kolejne etapy ewolucji Wszechświata, następujące wraz z jego ochładzaniem się i rzednięciem, to tworzenie się nukleonów (jako oddzielnych zgrupowań trzech kwarków), jąder atomowych (jako oddzielnych zgrupowań nukleonów), atomów (powstałych po przywiązaniu elektronów do jąder) i wreszcie skupisk materii, takich jak galaktyki, gwiazdy, planety.

Historia Wszechświata na jednym obrazku

Fizycy w swoich eksperymentach nad materią poznają ewolucję Wszechświata. Odtwarzamy ją niejako wstecz: im większymi dysponujemy energiami, tym większe temperatury i gęstości materii potrafimy wytworzyć i tym samym sięgamy do coraz wcześniejszego etapu tej ewolucji. Odtworzenie to – choć odbywa się, co oczywiste, na znacznie mniejszą skalę w stosunku do całego Wszechświata – pozwala opisać to, co działo się po Wielkim Wybuchu.

Na il. 3.128 zamieszczamy fotografię wkładki do jednego z numerów miesięcznika „Wiedza i Życie”.

Przedstawiono na niej zwarty obraz przebiegu ewolucji Wszechświata, ukazując, jak malała jego temperatura w miarę upływu czasu. Pokazane są także postępujące zmiany w strukturze i organizacji materii.

Po około 10 miliardach lat od Wielkiego Wybuchu na peryferiach dość sporej galaktyki pojawiła się dość przeciętna gwiazda, a wokół niej uformowała się stosunkowo mała planeta. Po kolejnych czterech miliardach lat pojawiła się na tej planecie żywa istota, która zapragnęła poznać siebie, swoje pochodzenie, swą historię i swoje miejsce w tym, co widziała wokół siebie. Nazwała się człowiekiem. Planetę, na której przyszło jej żyć, nazwała Ziemią, ową gwiazdę – Słońcem, a swoją galaktykę – Drogą Mleczną.