K O N C E P C J A K W A R K Ó W (część druga) Zanim zajmiemy się na dobre samymi kwarkami należałoby napisać kilka słów o różnego typu oddziaływaniach, które zachodzą w znanym nam świecie. Oddziaływanie to wzajmeny wpływ na siebie obiektów fizycznych, który objawia się choćby przez występowanie sił, czy momentów sił działających na te obiekty. Rozróżnia się cztery podstawowe typy oddziaływań: - grawitacyjne, - elektromagnetyczne, - słabe, - silne. Oddziaływania grawitacyjne występują pomiędzy wszystkimi ciałami i są odpowiedzialne m.in.za ruchy ciał niebieskich i zjawiska związane z przyciąganiem ziemskim. Oddziaływania e-m występują między ciałami o niezerowym ładunku elektrycznym lub wyższych momentach e-m i jest odpowiedzialne m.in.za atomową strukturę materii, rekakcje chemiczne i wszelkie zjawiska e-m. Oddziaływania słabe występują między wszystkimi znanymi cząstkami elementarnymi z wyjątkiem fotonu. Jest odpowiedzialne m.in.za rozpady beta jąder atomowych i liczne rozpady cząstek elementarnych. Oddziaływania silne występują między hadronami (wszystkimi znanymi cząstkami oprócz fotonu i 6 leptonów) i między ich hipotetycznymi składnikami czyli... naszymi kwarkami. Oddziaływania silne są odpowiedzialne m.in.za strukturę jąder atomowych, reakcje jądrowe oraz większość procesów produkcji i rozpadów cząstek elementarnych. Na codzień stykamy się jedynie z oddziaływaniami grawitacyjnymi i e-m, ponieważ dwa pozostałe typy oddziaływań mają bardzo małe zasięgi ograniczające się do rozmiarów jądra atomowego. Poszczególne typy oddziaływań mają nie tylko różne zasięgi ale i natężenia. Najsilniejszym typem oddziaływań są oddziaływania jądrowe, czyli silne. Drugie pod względem siły są oddziaływania e-m, które są jednak około 2000 razy słabsze od jądrowych. Oddziaływania słabe są około 10^13 razy słabsze od oddziaływań silnych, natomiast oddziaływania grawitacyjne są aż 2*10^39 razy słabsze od oddziaływań silnych. [Dane na podstawie literatury] Każdy typ oddziaływań ma ich własne nośniki. Co to oznacza? Fizycy wymyślili model, w którym ciała fizyczne oddziałują na siebie na zasadzie wymiany pewnych cząstek, które są nośnikami danego typu oddziaływań. Nośniki te nazywane są bozonami pośredniczącymi (bozonami, gdyż mają spin całkowity). Oddziaływanie odbywa się na zasadzie podobnej trochę do sytuacji zachodzącej na korcie tenisowym, kiedy zawodnicy odbijają do siebie piłeczkę, tym samym wiążąc się ze sobą w pewien sposób. Takimi "piłeczkami" są dla poszczególnych typów oddziaływań kolejno: - dla oddz.e-m: fotony, - dla oddz.grawitacyjnych: grawitony, - dla oddz.silnych: mezony pi (co nie jest chyba do końca prawdą, ale o tym dokładniej później), - dla oddz.słabych: bozony W (dodatnie i ujemne) oraz Z zero. Z czasem, kiedy odkrywano nowe cząstki elementarne (zwłaszcza z grupy hadronów) pojawiła się wątpliwość, czy aby na pewno są to cząstki niepodzielne i czy przypadkiem one same nie są zbudowane z jeszcze mniejszych, dotąd nie odkrytych elementów. Kiedy liczba odkrywanych cząstek i rezonansów wzrosła niepomiernie, hipoteza ta została uznana za słuszną i wtedy to pojawiły się różne koncepcje rozwiązania tego problemu. Pierwszą z nich wysunął japoński fizyk Sakata, który zaproponował uznać za podstawowe cząstki proton, neutron, hiperon lambda oraz ich antycząstki. Koncepcja ta jednak została uznana za błędną. Przyjęto natomiast hipotezę Gell-Manna i Zweiga, że podstawowymi składnikami materii są kwarki. Hipoteza ta została doświadczalnie potwierdzona. Choć nie odkryto (mimo usilnych poszukiwań) kwarków swobodnych, to jednak ze sposobu rozpraszania wiązki elektronów na nukleonie wywnioskowano, że jest on zbudowany nie jak jednolita kula (o ile można tu mówić o kuli), ale raczej jak obiekt złożony z trzech kul. Oznaczało to ni mniej, ni więcej tylko to, że proton zbudowany jest z mniejszych elementów. A stąd prosta droga do potwierdzenia teorii kwarków. Czym są kwarki? Kwarki to podstawowy składnik materii hadronowej (czyli materii z której zbudowane są wszystkie hadrony, a to z kolei oznacza wszystkie cząstki oddziałujące silnie). Wg.koncepcji Gell-Manna i Zweiga wszystkie hadrony zbudowane są z trzech rodzajów kwarków oraz ich antycząstek. Kwarki są fermionami (czyli mają spin połówkowy) o spinie równym 1/2 h kreślonego, liczbie barionowej równej 1/3 i ułamkowym ładunku elektrycznym (!) równym -1/3 e lub 2/3 e. Dlaczego nie udało się wykryć ich, mimo, iż szukano w promieniowaniu kosmicznym, minerałach i wodzie morskiej? Obecne dane doświadczalne wykluczają istnienie kwarków swobodnych ze względu na nieskończenie wielką energię konieczną do rozbicia wiązań gluonowych. Mimo to nadal prowadzi się poszukiwania kwarków swobodnych w prom.kosmicznym i podczas zderzeń wysokoenergetycznych. Ostatnie odkrycia, które pozwoliły zaliczyć do cząstek elementarnych lepton tau i neutrino leptonowe, a z hadronów mezon J/psi i jego wzbudzenia oraz cząstki z powabem i inne cząstki zawierające kwark b, dowiodły konieczności wprowadzenia czwartego i piątego typu kwarków, a oczekuje się odkrycia cząstek zawierających szósty kwark t. Pojęcie kwarków wprowadzono w celu wyjaśnienia obserwowanych symetrii wśród cząstek elementarnych. Hadrony można uważać za stany związane trzech kwarków lub pary kwark-antykwark. Hipoteza taka tłumaczy poprawnie obserwowane ograniczenia wartości liczb kwantowych dla znanych cząstek elementarnych, tak więc wydaje się, że koncepja Gell-Manna i Zweiga jest słuszna. Chyba, że odkryte zostaną cząstki o właściwościach niezgodnych z teorią kwarków... Poniżej scharakteryzowane są poszczególne rodzaje kwarków. W kolumnach pionowych zamieszczone są poszczególne liczby kwantowe, zaś w poziomych - typy kwarków. Pod tabelą znajdują się objaśnienia poszczególnych rubryk. ++========++=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+======++ [] [] Q | B | S | C | b | t | T | T3 [] ++========++=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+======++ [] p(u) [] 2/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1/2 | 1/2 [] ++--------++-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+------++ [] n(d) [] -1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1/2 | -1/2 [] ++--------++-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+------++ [] s [] -1/3 | 1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 [] ++--------++-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+------++ [] c [] 2/3 | 1/3 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 [] ++--------++-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+------++ [] b [] -1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 [] ++--------++-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+------++ [] t [] 2/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 [] ++========++=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+======++ Objaśnienia: Q - ładunek elektryczny B - liczba barionowa S - dziwność C - powab b - beauty t - truth T - izospin T3 - trzecia składowa izospinu Czas wyjaśnić poszczególne cechy. Ładunek elektryczny oznacza ładunek elektryczny kwarka. Liczba barionowa, dziwność i izospin zostały opisane powyżej. Jednak podczas wyjaśniania znaczenia liczby kwantowej S wspomniałem o prostej interpretacji tej cechy w modelu kwarkowym. A więc w modelu tym dziwność określa różnicę między liczbą antykwarków s i kwarków s, z których zbudowany jest hadron. Kwark s ma S=-1, zaś antykwark s ma S=1. Wszystkie pozostałe kwarki mają S=0, a że dziwność jest cechą addytywną, uzyskujemy bardzo proste wytłumaczenie takich a nie innych wartości tej liczby kwantowej dla poszczególnych cząstek. Nową cechą jest powab. Jest to liczba kwantowa cząstek elementarnych zachowana w oddziaływaniach e-m i silnych, określająca różnicę między liczbą kwarków c i antykwarków c, z których zbudowany jest hadron. Wszystkie pozostałe kwarki są niepowabne. Potrzebę wprowadzenia powabu (postulowanego wcześniej w pewnych modelach teoretycznych) potwierdziło odkrycie mezonu J/psi o masie równej około trzem masom protonu i czasie życia stosunkowo długim jak na hadron nietrwały względem oddziaływań silnych. Dlatego też przyjęto, że to struktura kwarkowa odpowiada za wydłużony czas życia tego mezonu. A zbudowany jest on z kwarka c i antykwarka c, które anihilują wolno na inne kwarki lub gluony tworzące ostatecznie hadrony. Ciągle wspominam o gluonach, ale jeszcze nie wyjaśniłem, czym one w istocie są. Gluony są cząstkami o spinie 1 (zatem bozonami), zerowym ładunku elektrycznym, o masie równej zeru i obdarzone kolorem. Gluony są nośnikami oddziaływań między kwarkami, tak, jak fotony są nośnikami oddziaływań e-m. Zatem gluony odpowiadają również za oddziaływania silne, jak twierdzi Encyklopedia Fizyczna. Tak więc z racji tego, że to źródło zawiera aktualniejsze informacje należałoby chyba uznać, że to gluony, a nie mezony pi (takie wiadomości znalazłem w starszej literaturze, z której korzystałem) są nośnikami oddziaływań jądrowych. Przy okazji gluonów pojawił się kolejny termin, który koniecznie trzeba wyjaśnić. Chodzi mianowicie o kolor. Jest to pojęcie wzięte wprost z chromodynamiki kwantowej, która jest teorią oddziaływań tych składników materii, którym przypisano nową cechę - kolor. Chromodynamika kwantowa mówi o wzajemnych oddziaływaniach kwarków (mogą one mieć trzy różne kolory) z gluonami (które występują w dwu różnych kolorach). Teoria ta przyjmuje, że jest osiem nośników (czyli gluonów) tych oddziaływań w porównaniu z jednym fotonem w elektrodynamice kwantowej. Istnieje również osiem ładunków kolorowych zamiast jednego ładunku elektrycznego. Chromodynamika kwantowa jest niestety teorią niepełną, przez co brak jest jakiejkolwiek literatury traktującej o niej. Zanim wrócę do koloru mogę powiedzieć jedynie, że chromodynamika ma duże szanse stać się podstawą teorii oddziaływań silnych. Kolor to liczba kwantowa kwarków i gluonów charakteryzująca oddziaływania wewnątrzhadronowe (czyli wewnątrz cząstek zbudowanych z kwarków). Istnieją trzy kolory (o czym już wspomniałem), ale żadna z cząstek swobodnych nie niesie żadnego koloru - uznaje się, że jest "biała". Jedynie cząstki uwięzione wewnątrz hadronów są "kolorowe". Myślę, że ta definicja może dać pewne POJĘCIE (i to nader ogólne) o tym, czym jest kolor w chromodynamice kwantowej. Czas więc choćby pokrótce napisać o tym, jak teoria kwarków opisuje budowę wewnętrzną poszczególnych cząstek elementarnych, a dokładniej hadronów, gdyż w ich skład wchodzą kwarki. Oto tabelka, która powinna przybliżyć to zagadnienie: UWAGA: Minus przy symbolu kwarka oznacza, że jest to jego antycząstka, czyli antykwark. +---------------------+---------------------+ | C Z Ą S T K A | K W A R K I | +---------------------+---------------------+ | proton | u, u, d | +---------------------+---------------------+ | neutron | d, u, d | +---------------------+---------------------+ | kaon K+ | u, s- | +---------------------+---------------------+ | kaon K- | s, u- | +---------------------+---------------------+ | kaon K0 | d, s- | +---------------------+---------------------+ | antykaon K0 | s, d- | +---------------------+---------------------+ | pion dodatni | u, d- | +---------------------+---------------------+ Myślę, że powyższe przykłady wystarczą dla zilustrowania budowy wewnętrznej kilku ważniejszych hadronów. Niestety, nawet fizycy mają czasem problemy ze znalezieniem właściwego układu kwarków zgodnego z budową wewnętrzną poszczególnych cząstek (stąd pojawiają się nowe typy kwarków). Co dalej? Być może zostaną odkryte jednak (mimo wszystko) swobodne kwarki. W końcu fizycy czyhają na nie ze swoimi licznikami już od dawna, choć teoria twierdzi, że rozbicie wiązań gluonowych jest niemożliwe. Jak dotąd nie udało się "przyłapać" ani jednego. A to zdaje się potwierdzać teorię. No, chyba, że ich stężenie w przyrodzie jest tak małe, że nasze przyrządy pomiarowe nie są w stanie ich zarejestrować. Trudno powiedzieć. Koncepcja kwarków jest na razie bardzo "młoda", więc sami fizycy nie są chyba na razie w stu procentach pewni, czy jest poprawna. Na pewno koncepcja ta ciągle ewoluuje, tak zresztą, jak cała fizyka. I mimo, że wyniki doświadczeń potwierdzają obliczenia, to nadal nie wiemy nic pewnego. Właściwie to ciągle jesteśmy skazani tylko na przypuszczenia... (koniec części drugiej)