Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 12

Artykuły

Kwarki, czyli kwantowi więźniowie

7th Mar '14

Wyobraźcie sobie, że macie przed sobą nietypowe zadanie: musicie zapoznać się z układem pomieszczenia, w którym się znajdujecie, bez używania wzroku. Wasze oczy zasłonięto, a do dyspozycji macie jedynie koszyk pełen kauczukowych piłeczek. Nawet rzucając nimi na ślepo dookoła siebie, mniej więcej poznacie układ ścian, ustalicie położenie mebli oraz ocenicie ilość rozbitych naczyń. Krótko mówiąc, zbierzecie zaskakująco wiele informacji o topografii otaczającej was przestrzeni. W latach 60. ubiegłego wieku podobna metoda, pozwoliła fizykom z Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda zauważyć, że niektóre cząstki elementarne, wcale elementarne nie są.

System badania protonów poprzez obijanie ich wiązką elek­tronów (które pełnią rolę naszych piłeczek), opa­ten­tował już dekadę wcze­śniej Robert Hofstadter. Metoda zwana roz­pra­sza­niem elek­tronów, ujawniła całkiem dokładnie średnicę protonu (ok. 10−14 m) i odsło­niła nie­jed­no­lite roz­ło­żenie ładunku – większe w centrum niż na brzegach – co zaprze­czyło prostemu wyobra­żeniu nukleonu jako jed­no­litej i twardej kuli bilar­dowej. Taka rozmyta „foto­grafia” nie usa­tys­fak­cjo­no­wała naukowców ze Stamford, toteż wkrótce roz­po­częli starania o uzy­skanie wyraź­niej­szego obrazu. Aby tego dokonać musieli użyć sil­niej­szej wiązki elek­tronów. To trochę tak jak z naszymi oczami: w półmroku dostrze­gamy zarys ota­cza­ją­cych nas przed­miotów, ale bez latarki nadal będą umykać nam szcze­góły. Era kołowych syn­chro­tronów miała dopiero nadejść (otwarcie Teva­tronu miało miejsce w 1983), więc nadzieje spo­łecz­ności fizyków spoczęły na liniowym akce­le­ra­torze SLAC.

Strze­lanie elek­tro­nami o energii ponad 10 GeV – kil­ku­na­sto­krotnie większej niż ta, którą dys­po­nował Hofstadter – dało upra­gniony efekt w roku 1968. Przed bada­czami ukazał się całkiem nowy wize­runek protonu, posia­da­ją­cego jak gdyby trzy szybko poru­sza­jące się ośrodki. W latach następ­nych doświad­czenie wery­fi­ko­wały insty­tuty CERN oraz Fermilab potwier­dzając nastę­pu­jący wniosek: cząstka będąca skład­ni­kiem jądra każdego atomu, sama posiada wewnętrzną struk­turę! Nie sta­no­wiło to jednak szoku, wła­ści­wego tak zna­ko­mitym odkry­ciom, ponieważ wielki teoretyk Murray Gell-Mann, już wcze­śniej prze­ko­nywał, iż proton powinien zawierać w sobie mniejsze elementy. On też odebrał eks­pe­ry­men­ta­torom radochę z nadania zagad­kowym bytom nazwy. Quark stanowi odwo­łanie do cytatu pocho­dzą­cego z książki Jamesa Joyce’a: Three quarks for muster mark!, czyli Trzy marki za wzorcowy twaróg! Od tamtego czasu pozna­liśmy, znów zgodnie z prze­wi­dy­wa­niami Gell-Manna, sześć typów kwarków o dość nie­nau­ko­wych nazwach: dolne, górne, powabne, dziwne, praw­dziwe (wysokie) i piękne (niskie). Na dobrą sprawę, inte­re­sują nas tylko dwa pierwsze. Właśnie kwarki dolne i kwarki górne wraz z elek­tro­nami, są jedynymi cegieł­kami budu­ją­cymi obecne w naszych ciałach atomy. 
Kwarki zawarte w Modelu Standardowym (rys. Jak przetrwać wśród czarnych dziur).

Kwarki prze­wi­dziane przez Model Stan­dar­dowy (rys. Jak prze­trwać wśród czarnych dziur).

Zasadnym byłoby pytanie o to, dlaczego wła­ściwie aż tyle czasu zajęło nam zna­le­zienie tak roz­po­wszech­nio­nych cząstek? Czy nie mogliśmy już wcze­śniej zaob­ser­wować gdzieś we wszech­świecie jakiegoś swo­bodnie fru­wa­ją­cego kwarku? Niestety, praw­do­po­dobnie byłoby to nie­moż­liwe, ponieważ… kwarki nie wystę­pują swo­bodnie w przy­ro­dzie. Można je sobie wyobrazić jako mikro­sko­po­wych ska­zańców z wyrokami doży­wot­niego pozba­wienia wolności. Ich wię­zienia, które zbiorczo nazywamy hadro­nami, goszczą zawsze dwójkę lub trójkę loka­torów. Zależnie od składu, wśród nich wyróż­niamy protony, neutrony, oraz egzo­tycznie brzmiące kaony, piony, ypsilony i kilka innych. Jeżeli kaj­da­nia­rzami są dwa kwarki górne i jeden dolny, mamy do czy­nienia z protonem, jeśli dwa dolne i jeden górny – z neu­tronem. I tak dalej.

Trzeba też pod­kre­ślić, że hadron to wię­zienie o zaostrzonym rygorze. Jak dotąd fizycy nie zaob­ser­wo­wali aby z minia­tu­ro­wych lochów ktoś zbiegł. I to mimo ich aktywnej pomocy. To dość iry­tu­jąca sytuacja: mamy dowód na ist­nienie wyraź­nych cząstek ele­men­tar­nych wewnątrz więk­szych cząstek, ale za nic nie możemy znaleźć sposobu na ich wyod­ręb­nienie. Wydaje się, że naj­bliżej skru­szenia murów są naukowcy z CERN, zrzu­ca­jący „bomby” o energii ponad 200 GeV. Sprawa istotna, bowiem teo­re­tycznie przy dosta­tecznie dużej tem­pe­ra­turze – panu­jącej we wnę­trzach nie­któ­rych gwiazd i na pewno w pierw­szych mikro­se­kun­dach wiel­kiego wybuchu – powinna powstać kwarkowo-gluonowa zupa, z wesoło fru­wa­ją­cymi i cie­szą­cymi się pełną swobodą kwarkami.

Zaska­ku­jące jest to, że znaj­dując się w swoich klatkach, kwarki mają całkiem sporo luzu. Wewnątrz przy­kła­do­wego protonu cząstki śmigają jak gdyby nigdy nic, ale gdy tylko spró­bu­jemy je oddalić za bardzo od siebie, natra­fiamy na silny opór. Ćwi­czy­li­ście kiedyś na eks­pan­derze? Dopóki nasze ręce będą blisko, guma lub sprężyna przy­rządu nie stanowi problemu i nie ogra­nicza spe­cjalnie naszych ruchów. Sytuacja zmieni się gdy roz­pocz­niemy ćwi­czenia, próbując porządnie roz­ciągać urzą­dzenie – im dalej oddalimy dłonie tym większy wysiłek musimy włożyć. Siła spa­ja­jąca kwarki, działa podobnie. Cząstki pośred­ni­czące, czyli gluony pełniące funkcję sub­a­to­mo­wych eks­pan­derów, oddzia­łują mocniej na więk­szych odle­gło­ściach niż na mniej­szych. Siła którą prze­noszą, zwana oddzia­ły­wa­niem silnym, działa więc niezbyt intu­icyjnie i odwrotnie niż cho­ciażby gra­wi­tacja.
Dzi­waczny mecha­nizm tłu­ma­czący uwię­zienie kwarków, został nazwany przez mądrych ludzi asymp­to­tyczną swobodą. Okazał się on na tyle doniosły, że odkrywcy – 22-letni (!) Frank Wilczek pra­cu­jący z niewiele star­szymi Davidem Polit­zerem i Davidem Grossem – otrzy­mali w roku 2004 nagrodę Nobla. Trzeba przyznać zasłu­żoną (a czekali nań ponad 30 lat!), gdyż asymp­to­tyczna swoboda przy­najm­niej czę­ściowo pozwo­liła zro­zu­mieć dlaczego nie potra­fimy w labo­ra­to­riach uzyskać samot­nego kwarku. Otóż gdy kopniemy dajmy na to ypsilon (złożony z kwarku spodniego i anty­kwarku spodniego) dosta­tecznie mocno aby pokonać oddzia­ły­wanie silne, to… tak duża energia spo­wo­duje powstanie nowej pary kwark-anty­kwark! W ten sposób, jak widać na powyż­szej animacji, z jednego hadronu powstaną dwa, a wolnego kwarku jak nie mieliśmy tak nie mamy nadal. 


Literatura uzupełniająca

J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, Warszawa 1999; 
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005; 
Wykład K. Fiałkowskiego: Asymptotyczna swoboda kwarków – Nobel 2004, Akademicka Telewizja Naukowa ATVN.

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Kaziu

    Że tak filo­zo­ficznie rzucę: czasem czuję się jak ten kwant – niby wolny, ale jednak jakiś sznur trzyma.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous
    • Ano­ny­mous

      Artykuł jak zawsze świetny. Przy­jemnie się czyta i mimo, że w jako taki sposób już przed­sta­wioną wiedzę nabyłem, to każdy wpis pomaga mi jakąś część lepiej zro­zu­mieć. A tak swoją drogą, to sko­ja­rzyła mi się z Twoim komen­ta­rzem cie­ka­wostka z filmwebu: „Nazwisko Leonarda, Hofstadter odnosi się do dwóch dobrze znanych naukowców: Roberta Hofstad­tera, laureata nagrody Nobla w dzie­dzinie fizyki w 1961, oraz jego syna Douglasa Hofstad­tera, którego best­sel­le­rowa książka „Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid” przy­niosła mu w 1980 roku pre­sti­żową nagrodę Pulit­zera” 🙂

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17746392412956903265 sharent

    Jedno pytanie – jeżeli proton składa się z dwóch kwarków górnych (o masie 0,4% masy protonu każdy) i jednego dolnego (0,8%), to razem stanowią jedynie 1,6% jego masy. Co z resztą?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/13114751187118453224 mąka

      energia wiązania

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Tak jak stwierdził(a) mąka: masa protonu to masa kwarków + energia ich „ruchu”, w końcu e=mc2 =) A wewnątrz hadronów mamy do czy­nienia z naprawdę wyso­ko­ener­ge­tycz­nymi zda­rze­niami; energię wiążącą kwarki ocenia się na kil­ka­dzie­siąt kilo­gramów!

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/11162056840504580987 Craven

    Świetny wpis i kapi­talny rysunek 🙂

    To co mnie zadziwia to, że jak rozumiem ta „energia tunelu” między dwoma kwarkami nie­za­leżnie od odle­głości jest jed­na­kowa nie­za­leżnie od odle­głości, nie ma tego coraz więk­szego napięcia. Przy­najm­niej tak to opi­sy­wali w Veri­tas­sium. Dopiero po prze­rwaniu poja­wiają się „dopeł­nienia obu stron”.

    Rzekłbym, że cały ten cyrk z kwarkami i kolorami jest fascy­nu­jący i fan­ta­stycznie nie­in­tu­icyjny.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Gluony, czyli kwantowe kolorowanki [+słowo o egzotycznych hadronach] | Kwantowo.pl()

  • ple

    Może to głupio zabrzmi, ale czy starano się kiedyś do siebie zbliżyć na mini­malną odle­głość związane ze sobą kwarki? Bo na chłopski rozum biorąc -,skoro odda­lanie sprawia, że oddzia­łują silniej względem siebie, to ich zbli­żenie powinno je roz­łą­czyć.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Nic mi o tym nie wiadomo, ale wątpię aby to coś dało. Wewnątrz hadronów kwarki mają się dobrze, poru­szają się szybko i swo­bodnie. Jak je bardziej „zbliżyć”? Musimy też uwzględnić tu zasadę nie­ozna­czo­ności.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Mezony pi, czyli cząstki stawiające atom do pionu |()

  • Mateusz Saj

    Dlaczego przy­wo­łany w przy­kła­dzie ypsilon ma rację bytu? Dlaczego, skoro składa się z kwarku i anty­kwarku spodniego, nie ulega natych­mia­stowej ani­hi­lacji? Co stoi na prze­szko­dzie tym dro­binkom?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0