Słowo wstępne

   Poniżej  znajdziecie  ponad  30K bełkotu, który przydarzyło mi się kiedyś
spłodzić w ramach zajęć z fizyki, jeszcze za starych, dobrych czasów nauki w
ogólniaku. Nikomu nie polecam lektury tych kilkudziesięciu kilobajtów, ale i
tak  nie było czym zapchać działu Belfer w tym numerze, więc nie sądzę, żeby
zamieszczenie tego arta zrobiło komukolwiek jakąś różnicę. Aha - tym tekstem
był  testowany  tryb  76-kolumnowy,  kiedy dodawałem go do nowej wersji kodu
Necronomicona, więc coś mu się od nas należy, nie? :-)
   Od  następnego  numeru Necronomicona prawdopodobnie likwidujemy Belfra ze
względu  na  brak  zainteresowania  czytelników, brak tekstów do tego działu
oraz  wybitną  niechęć  części  składu  redakcji  (czyli  mnie)  do  tematów
edukacyjnych.



                     K O N C E P C J A    K W A R K Ó W
                              (część pierwsza)


   Już starożytni zastanawiali się nad budową otaczającego nas świata. W V i
IV  w.  p.n.e. greccy materialiści - Leukippos i Demokryt wysunęli hipotezę,
że  wszystkie  ciała  składają  się  z niepodzielnych cząstek, które nazwano
atomami.  Dopiero  w  wieku  XVIII  i na początku XIX zostało podane naukowe
sformułowanie  hipotezy  atomistycznej  (m.in.  przez  Avogadra  i Daltona).
Dokładniejsza teoria budowy związków chemicznych została stworzona później -
w  drugiej  połowie XIX w. przez Butlerowa, Kekulego oraz Mendelejewa, który
odkrył prawo okresowej powtarzalności własności chemicznych pierwiastków, co
ostatecznie  ugruntowało  pogląd atomowo-molekularny. Znaczny wkład w rozwój
teorii atomistycznej wnieśli Boltzmann oraz Polak - Smoluchowski.

   Pod sam koniec XIX w. fizyk angielski - Thomson, na podstawie doświadczeń
z   przeprowadzaniem  wyładowań  elektrycznych  w  gazach  odkrył,  że  atom
bynajmniej nie jest niepodzielny. Mianowicie okazało się, że od atomu odrywa
się cząstka o masie prawie 2000 razy mniejszej od masy całego atomu. Mimo to
jeszcze  na  początku  XX  w.  nie znano wewnętrznej budowy jądra atomowego.
Teorie  były różne, ale modele niezbyt dobrze spełniały oczekiwania. Dopiero
Rutheford  stworzył  i  udowodnił koncepcję budowy atomu z jądrem w środku i
krążącym  po  orbicie  bardzo daleko od jądra elektronem. Prace badawcze nad
tym  zagadnieniem  trwały  nadal i dopiero fizyk duński - Bohr, odkrył pewne
własności  atomu,  które  doprowadziły  do  powstania nowej gałęzi fizyki, a
mianowicie  mechaniki  kwantowej, która dobrze opisuje zjawiska zachodzące w
atomie.

   Złożonej  struktury jądra atomowego domyślano się już od dawna. Odkryte w
końcu  XIX  w.  zjawisko  promieniotwórczości potwierdzało tą hipotezę, gdyż
jądro  ulegało  podczas  niego  rozpadom  i  przemianom w jądro innego typu.
Dopiero  jednak  w wyniku odkrycia izotopów pierwiastków została ostatecznie
stwierdzona  złożoność  jego  budowy.  Okazało  się, że jego w skład wchodzą
cząstki o niemal równych masach, a różniące się jedynie posiadanym ładunkiem
elektrycznym.  Są  to  protony (o ładunku równym ładunkowi elektronu, lecz o
przeciwnym    jego   znaku)   oraz   neutrony   (nie   posiadające   ładunku
elektrycznego). Wydawało się, że nowa teoria będzie ostateczna.

   Nadzieje  rozwiane zostały już wkrótce, kiedy to za pomocą komory Wilsona
zaczęto  odkrywać  w promieniowaniu kosmicznym coraz to nowe cząstki. Dzięki
zbudowaniu  ogromnych  akceleratorów  przeprowadzano  setki  doświadczeń,  w
których  na  skutek  zderzeń rozpędzonych wiązek cząstek powstawały zupełnie
nowe,  dotychaczas  nikomu  nieznane:  miony,  piony, kaony, hiperony. W ten
sposób  fizycy  stanęli  przed  kolejnym dylematem. Czy nowo odkryte cząstki
można  uznać za podstawowe i całkowicie niepodzielne? A może i one zbudowane
są  z  jeszcze  mniejszych  elementów? Było na ten temat wiele hipotez, gdyż
fizycy  nie  mogli  pogodzić  się  z  nieładem  panującym  w świecie cząstek
elementarnych.   Tym   bardziej,  że  wszelkie  próby  stworzenia  dla  nich
odpowiednika  tablicy  Mendelejewa  były  niezbyt  udane.  Mimo  to,  w celu
uporządkowania  cząstek,  stworzono  ich  pewną klasyfikację. Przedstawia ją
poniższe zestawienie:

    +-------------------+-----------------+----------------------------+
    |                   | Spin całkowity  | Spin połówkowy             |
    |                   | (bozony)        | (fermiony)                 |
    +-------------------+-----------------+----------------------------+
    | Nie oddziałujące  | foton           | leptony:                   |
    | silnie            |                 | - elektron                 |
    |                   |                 | - mezon mi (mion)          |
    |                   |                 | - lepton tau               |
    |                   |                 | - neutrina:                |
    |                   |                 |   * elektronowe            |
    |                   |                 |   * mionowe                |
    |                   |                 |   * leptonowe              |
    |                   |                 | (wraz z ich antycząstkami) |
    +-------------------+-----------------+----------------------------+
    | Oddziałujące      | mezony          | bariony:                   |
    | silnie            | - pi (piony)    | - hiperony                 |
    | (hadrony)         | - ro            |   * lambda                 |
    |                   | - K (kaony)     |   * sigma                  |
    |                   | - inne          |   * teta                   |
    |                   |                 | - nukleony                 |
    |                   |                 |   * proton                 |
    |                   |                 |   * neutron                |
    +-------------------+-----------------+----------------------------+

   Należy  podkreślić,  że  przedstawione tu cząstki elementarne to zaledwie
ułamek wszystkich znanych obecnie.

   Skoro poznaliśmy główny podział cząstek elementarnych, przejdźmy do cech,
jakie  się  im  przypisuje.  Jest  ich trochę więcej niż było to w przypadku
modelu  atomu Bohra. Oczywiście nadal zachowane są ładunek elektryczny, masa
i  spin,  ale  dochodzą  do  tego  jeszcze  tak  egzotyczne cechy jak choćby
dziwność.  Aby  odrobinę  przybliżyć  to  zagadnienie  i powoli wprowadzić w
genezę  koncepcji  kwarków,  postaram  się  pokrótce opisać ważniejsze cechy
cząstek elementarnych.

   Bardzo  ważną  cechą  jest  czas  rozpadu  i  choć może nie jest to cecha
najważniejsza,  to pozwala ona oddzielić od cząstek elementarnych rezonanse,
czyli  cząstki  o  bardzo krótkim czasie istnienia (około 10^-23 sek). Skoro
już  jesteśmy przy czasie życia, to trzeba wspomnieć o tym, że znaczna część
cząstek   jest   nietrwała   i   ulega  samorzutnemu  rozpadowi  po  pewnym,
specyficznym dla jej typu czasie. Do cząstek trwałych należą:
   - foton,
   - neutrina,
   - elektron (czas życia powyżej 5 * 10^21 lat - uważany za trwały),
   - proton (czas życia powyżej 8 * 10^30 lat - uważany za trwały),
   zas do nietrwałych wszystkie inne, w tym np.:
   - neutrony,
   - miony,
   - leptony tau,
   - kaony,
   - hiperony,
   - piony.

   Następna  nowa cecha to ładunek barionowy. Pojęcie to wprowadził Wigner i
jest ono uogólnieniem pojęcia ładunku elektrycznego. Jest to liczba kwantowa
równa  +1  dla  nukleonów, -1 dla antynukleonów oraz 0 dla mezonów pi (czyli
pionów).  Liczba  barionowa  jest  o  tyle istotna, że w układzie izolowanym
pozostaje   stała,   co   pozwala   sformułować  zasadę  zachowania  ładunku
barionowego.   Jest   ona   spełniona  dla  pola  silnego,  e-m,  słabego  i
grawitacyjnego.  Sądzę,  że  analogia  z  ładunkiem elektrycznym, czy zasadą
zachowania   energii   jest   na  tyle  widoczna,  że  wyjaśnia  zjawisko  w
wystarczającym stopniu.

   Chyba  tymi  samymi  pobudkami  (tj.możliwością  prowadzenia  obliczeń  z
użyciem  prawa zachowania) kierowali się Zeldowicz i Konopiński wprowadzając
pojęcie  ładunku  leptonowego.  Prawo  zachowania  ładunku  leptonowego jest
spełnione  również  dla każdego typu oddziaływań i pozwala wyjaśnić przebieg
wielu  procesów  (jak  choćby rozpadu beta minus i plus, wychwytu elektronu,
mionu,  czy  rozpadu  mionu  plus). Ładunek leptonowy wynosi +1 dla leptonów
(elektronu,  mionu  minus  i  neutrina)  oraz -1 dla antyleptonów (pozytonu,
mionu plus i antyneutrina).

   Trzecią  ważną  cechą  cząstek elementarnych jest izospin. Jego koncepcja
została opracowana przez Heisenberga. Zauważył on, że proton i neutron mając
odmienne  ładunki  różnią  się  masą  jedynie  w niewielkim stopniu. Dlatego
zaproponował  model  nukleonu zawierający zmienną przybierającą jedynie dwie
wartości,  z  których jedną jest proton, zaś drugą neutron. Izospin nie ma z
samym  spinem  nic  wspólnego  i  jest  użyte tylko na podstawie analogii ze
spinem  elektronu,  który przyjmuje również dwie wartości. Umownie przyjęto,
że wartość izospinu równa +1/2 odpowiada protonowi, a -1/2 - neutronowi. Dla
izospinu  również  istnieje  prawo  zachowania,  które  nie  zależy  od typu
oddziaływań.

   Ostatnią  cechą, którą opiszę jest dziwność. Jest to cecha o tyle dla nas
ciekawa,  że jej interpretacja w modelu kwarkowym jest nadzwyczaj prosta, co
w  pewnej  mierze  potwierdza  jego słuszność. Czym zatem są cząstki dziwne?
Nazywamy  tak  silnie  oddziałujące  cząstki  elementarne,  nie tworzące się
pojedynczo   nawet   wtedy,   gdy  występują  ku  temu  odpowiednie  warunki
energetyczne   i   żyją  10^14  razy  dłużej  niż  wynika  to  z  przesłanek
teoretycznych.   Dziwność  jest  liczbą  kwantową  opisującą  cechy  cząstek
elementarnych  względem  oddziaływań  silnych i e-m. Każdej odmianie cząstek
przypisuje  się  określoną  wartość  dziwności.  Dobrze  obrazuje  to  chyba
poniższe zestawienie:
   * S = -3
   - hiperon omega minus,
   * S = -2
   - hiperon teta minus,
   - hiperon teta zero,
   * S = -1
   - hiperon lambda,
   - hiperon sigma plus,
   - hiperon sigma zero,
   - hiperon sigma minus,
   - kaon minus,
   - antykaon zero,
   * S = 0
   - proton,
   - neutron,
   - pion plus,
   - pion zero,
   - pion minus,
   - mezon eta,
   * S = 1
   - antyhiperon lambda,
   - antyhiperon sigma plus,
   - antyhiperon sigma zero,
   - antyhiperon sigma minus,
   - kaon plus,
   - kaon zero,
   * S = 2
   - antyhiperon teta minus,
   - antyhiperon teta zero,
   * S = 3
   - antyhiperon omega minus.

   Liczba  charakteryzująca dziwność S, liczba barionowa B i ładunek cząstki
wyrażony   w  ładunkach  elementarnych  powiązane  są  ze  sobą  następującą
zależnością:
   S = 2 (Q/q - T3) - B,
   gdzie T3 to składowa izospinu.
   Co  jest  bardzo  istotne  -  z  przeprowadzonych  obserwacji wiadomo, że
spełnione  jest prawo zachowania dziwności, co oznacza, że suma algebraiczna
dziwności  cząstek  przed  reakcją  i  po  niej  jest  równa.  A  to pozwala
przewidzieć i wyjaśnić wyniki wielu doświadczeń.

   Oczywiście   oprócz   powyższych   praw   zachowania   spełnione  są  tak
fundamentalne  zasady,  jak  zasada  zachowania  energii, a także zachowania
ładunku elektrycznego i spinu (momentu pędu).

   Po  tym nieco przydługim wstępie wypadałoby chyba choćby pokrótce napisać
coś o najważniejszych cząstkach elementarnych. A zaczniemy od elektronu.

   Elektron  jest  pierwszą  cząstką odkrytą przez fizyków. Ma on masę około
2000  razy  mniejszą  od masy protonu. Jest on cząstką naładowaną ujemnie (o
ładunku  jednostkowym),  zaś  jego  spin  wynosi  1/2  h/2pi,  czyli  1/2  h
kreślonego.  Elektron  jako  cząstka  elementarna  zaliczany  jest  do klasy
leptonów,   tj.cząstek   nie   wykazujących  oddziaływań  silnych.  Pomiędzy
elektronem  a  innymi cząstkami zachodzą oddziaływania słabe, grawitacyjne i
e-m. Jego antycząstką jest pozyton.

   Pozyton  odznacza  się  dodatnim jednostkowym ładunkiem elektrycznym oraz
masą pokrywającą się co do 0.007% z masą elektronu. Spin pozytonu jest równy
spinowi    elektronu.    Głównymi    źródłami    pozytonów    są   przemiany
wysokoenergetycznych fal gamma na pary elektron-pozyton.

   Proton  jest stabilną cząstką elementarną obdarzoną dodatnim jednostkowym
ładunkiem  elektrycznym.  Jego  masa  jest  równa  w  przybliżeniu  2000 mas
elektronu.  Liczba  protonów  w  jądrze  określa  ładunek jądra oraz miejsce
pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa. Proton ma spin połówkowy równy
1/2  h/2pi,  czyli  1/2  h  kreślonego.  Proton zaliczany jest do barionów i
bierze  udział w oddziaływaniach silnych, słabych i e-m. Antycząstką protonu
jest  antyproton.  Ma  on  masę równą masie protonu, ładunek równy ładunkowi
protonu,  lecz  o odmiennym znaku oraz spin identyczny z protonem. Istnienie
antyprotonu  zostało doświadczalnie stwierdzone. Zgodnie z przewidywaniami w
wyniku  zderzenia  z  protonem  obie  cząstki  anihilują, wyzwalając energię
równoważną masie dwóch znikających cząstek.

   Neutron  jest cząstką niestabilną i ulega rozpadowi w okresie T1/2 = 1.01
*  10^3  sek. Jego masa jest niemal równa masie protonu (dokładniej odrobinę
większa)  i  wynosi  około  2000 mas elektronu. Ładunek elektryczny neutronu
jest  równy  zeru,  zaś jego spin S = 1/2 h/2pi. Ładunek batrionowy neutronu
wynosi  1,  ładunek  leptonowy  -  0, a dziwność również 0. Zresztą, dane te
można  znaleźć  powyżej,  w  charakterystykach  poszczególnych  cech cząstek
elementarnych.

   Neutrino  to  neutralna  elektryczna cząstka elementarna o znikomej masie
(jej  masa  spoczynkowa  jest  równa  zeru).  Ma  połówkowy  spin równy 1/2.
Istnieją  trzy  odmiany  neutrina  - elektronowe powstające zawsze łącznie z
elektronem,  neutrino  mezonowe  tworzące  się  razem z mionem oraz neutrino
leptonowe,  które  powstaje z leptonem tau. Mimo braku ładunku, neutrino nie
jest  równoważne  ze swoją antycząstką. Różnią się one ładunkiem leptonowym,
równym  +1  dla  neutrin oraz -1 dla antyneutrin. Neutrino jest jedyną znaną
cząstką  uczestniczącą  jedynie  w  oddziaływaniach  słabych.  Brak  ładunku
elektrycznego,  momentu  magnetycznego oraz zerowa wartość masy spoczynkowej
stanowią  znaczną  przeszkodę  w rejestrowaniu tych cząstek. Mimo to, fizyka
teoretyczna  szybko  przyswoiła pojęcie neutrina i dopiero w dwadzieścia lat
później wykryto je doświadczalnie.

   Pion  (mezon  pi) jest nośnikiem oddziaływań silnych (patrz jednak niżej)
na  takiej  samej  zasadzie, na jakiej foton jest nośnikiem oddziaływań e-m.
Jest  to  cząstka o masie równej w przybliżeniu 300 masom elektronu. Ładunek
barionowy  pionu  jest  równy  0.  Jego  spin jest całkowity i wynosi 0, zaś
izospin  1. Piony są cząstkami nietrwałymi i po czasie rzędu 2.6 * 10^-8 sek
(pi  plus  i  pi  minus) lub 0.8 * 10^-16 sek (pi zero). Istnieją trzy stany
ładunkowe  pionu:  dodatni,  ujemny  i  neutralny,  które tworzą tzw.tryplet
izospinowy.

   Mion  jest  cząstką  elementarną  o  właściwościach  bardzo  podobnych do
elektronu.  Należy do grupy leptonów i występuje w dwóch stanach ładunkowych
-  dodatnim  i  ujemnym,  które są względem siebie antycząstkami. Masa mionu
jest  równa  około 200 masom elektronu, zaś jego spin jest połówkowy i równy
1/2  h  kreślonego.  Jest  cząstką  nietrwałą i po ok.2.1 * 10^-6 sek. ulega
rozpadowi.  Ze  względu na brak oddziaływań silnych cząstki te wykazują dużą
przenikalność  przy  przechodzeniu  przez  ośrodek materialny. Powolne miony
mogą być wiązane na orbitach atoowych tworząc atomy mionowe.

   Kaon  jest  mezonem  dziwnym  o  spinie  zerowym.  Jego  masa  waha się w
granicach 800-1300 mas elektronu. Jest trwały względem oddziaływań silnych i
e-m.  Znane  są  dwa  kaony:  K  plus  i  K  zero (o dziwności S=1) oraz ich
antycząstki K minus i antykaon zero (o dziwności S=-1). Para K plus i K zero
tworzy  dublet  izospinowy.  Mezony  K  plus  i minus rozpadają się w wyniku
oddziaływań silnych po czasie ok.10^-8 sek.

   Hiperon  jest  barionem o dziwności różnej od zera. Masa hiperonów wynosi
około  2200  mas  elektronu.  Obecnie  znane  są następujące hiperony trwałe
względem  oddziaływań  silnych:  lambda  zero,  trzy  hadrony sigma (ujemny,
dodatni  i  neutralny),  dwa  teta  (ujemny  i  neutralny) oraz omega minus.
Znanych  jest  również  kilkadziesiąt  rezonansów  hiperonowych  nietrwałych
względem oddziaływań silnych. Wszystkie hiperony mają spiny połówkowe i mogą
występować  w  stanie związanym z nukleonami różnych jąder atomowych tworząc
hiperjądro.

   Na  tym  chyba się zatrzymamy, gdyż właściwym tematem tej pracy nie miały
być  cząstki  elementarne, a więc szersze i bardziej wnikliwe zajmowanie się
nimi  na  łamach  tej  pracy  mija  się z celem. Wszystkich zainteresowanych
historią  odkryć  i badań nad cząstkami elementarnymi oraz ich dokładniejszą
charakterystyką  zachęcam do zapoznania się z "Fizyką naszych dni" autorstwa
U.J.Frankfurta i A.M.Frenka.

                         (koniec części pierwszej)