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)