Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 6

Artykuły

Mezony pi, czyli cząstki stawiające atom do pionu

8th Mar '16

W jądrze każdego z atomów budujących nasze ciała, toczy się nieustanna, dynamiczna gra. Kwarki sklejane gluonami tworzą swoiste tercety, postrzegane przez nas jako protony i neutrony. Te z kolei, trzymają się razem wyłącznie dzięki pośrednictwu skromnych bohaterów, znanych jako mezony π.

Kwarkowe kompozycje

Na początek krótki wstęp ter­mi­no­lo­giczno-kla­sy­fi­ka­cyjny, abyś czy­tel­niku nie czuł się zanadto zagu­biony. Jeśli nie czytałeś poprzed­nich tekstów, musisz wiedzieć, iż zale­ga­jące w centrum każdego atomu dodatnio nała­do­wane protony oraz neu­tralne neutrony, są cząst­kami ele­men­tar­nymi już tylko z nazwy. Od ponad pół wieku fizycy zdają sobie sprawę, że mamy do czy­nienia ze zgru­po­wa­niami trzech bardziej ele­men­tar­nych tworów, zwanych kwarkami. Przepis jest nastę­pu­jący: dwa kwarki górne wespół z jednym kwarkiem dolnym tworzą proton, a dwa kwarki dolne z jednym kwarkiem górnym dają neutron. Można otrzymać wiele innych kwar­ko­wychmezony bariony5 kom­po­zycji; na tyle wiele, że uczeni usta­no­wili różnego typu kla­sy­fi­kacje. Naj­istot­niejszy wydaje się podział na bariony i mezony. Te pierwsze to obiekty noszące w sobie trójki kwarków, i właśnie do nich zali­czymy m.in. protony i neutrony. Mezony nato­miast, to cząstki zbu­do­wane wyłącznie z dwóch kwarków – tak jak mezon pi, o którym poroz­ma­wiamy niebawem. Aha, bym zapo­mniał. Spójność wszyst­kich barionów i mezonów jest gwa­ran­to­wana przez oddzia­ły­wanie silne, oparte o kwantowy klej, pod postacią gluonów i ładunku kolo­ro­wego. Ale to w tym momencie mniej istotne.

Na łamach bloga już dwu­krotnie (tutu) roz­pa­try­wa­liśmy naturę oddzia­ły­wania silnego. Jak wskazuje sama nazwa, mowa o potężnym, choć krót­ko­dy­stan­sowym wiązaniu: działa tylko na długości bilio­nowej części metra, ale stanowi ponad sto­krotnie moc­niejsze spoiwo od elek­tro­ma­gne­tyzmu. W tamtych tekstach sku­pia­liśmy się jednak na samej pod­stawie, tj. wymianie gluonów między wię­zio­nymi kwarkami. Tym razem wesp­niemy się o szczebel wyżej, spraw­dzając co odpo­wiada za inte­rakcję między całymi pro­to­nami i neu­tro­nami. Innymi słowy, poszu­kamy czynnika, któremu zawdzię­czamy trwałość jąder atomów. W tym przy­padku bowiem, sama gluonowa zaprawa wszyst­kiego nie wyjaśnia.

Hideki Yukawa i tajemnica atomowego jądra

Opisu tego  jakby nie patrzeć dość fun­da­men­tal­nego zjawiska – dostar­czył nam profesor uni­wer­sy­tetów w Tokio i Nowym Jorku, Hideki Yukawa. Warto zwrócić uwagę, że cofamy się do lat 30. i 40., czasów gdy nowo­czesna fizyka cząstek ele­men­tar­nych dopiero racz­ko­wała a modelu stan­dar­do­wego nie było nawet w planach. Naukowcy w pocie czoła udo­sko­na­lali techniki pozy­ski­wania energii nukle­arnej, jed­no­cze­śnie nie mając pojęcia o kwarkach, gluonach, neu­tri­nach, bozonach W, Z i całej reszcie tała­taj­stwa. Yukawa wiedział na pewno jedno: oddzia­ły­wanie elek­tro­ma­gne­tyczne może utrzy­mywać elek­trony wokół ato­mo­wych jąder, ale z całą pew­no­ścią nie ono odpo­wiada za spojenie samego jądra. Potrzebne było nowe skalarne pole kwantowe, nie­za­leżne od pola elek­tro­ma­gne­tycz­nego, oddzia­łu­jące wyłącznie z cząst­kami jądra.

Jak przy­stało na teo­re­tyka, wyde­du­kował rychło główne cechy prze­no­szącej to pole cząstki, na czele z masą. Nie wystar­czyło aby poszu­ki­wany bozon po prostu posiadał masę (co już mocno odróż­niało go od fotonu); masa musiała być nielicha i lokować go gdzieś pomiędzy elek­tronem a protonem (stąd nazwa mezonu, meso – między). Masa co najmniej 200 elek­tronów tłu­ma­czy­łaby dlaczego tak silne wiązanie pozo­staje kom­pletnie nie­od­czu­walne poza centrum atomu.
yukawa

Trzech wielkich fizyków na prze­chadzce w Prin­ceton: Albert Einstein, Hideki Yukawa i John Archi­bald Wheeler.

Postu­lo­waną przez Japoń­czyka cegiełkę upo­lo­wano niemal natych­miast. Nie był to jednak wyjąt­kowy łut szczę­ścia, a nie­praw­do­po­dobny pech. Nie­co­dzienny zbieg oko­licz­ności wyglądał nastę­pu­jąco: fizyk zamawia w swojej pracy nową cząstkę 200 razy masyw­niejszą od elek­tronu, eks­pe­ry­men­ta­torzy trafiają na ślad właśnie czegoś takiego, aby chwilę później… okazało się, że to zupełnie inna nieznana dotąd cząstka o bliź­nia­czych gaba­ry­tach. Obecnie nazywamy ją mionem i wiemy, że jest przy­grubym kuzynem elek­tronu. Poszu­ki­wania mezonu trwały dalej.

Przełom nastąpił niecałą dekadę później, gdy w pro­mie­nio­waniu kosmicznym zauwa­żono ślad kolej­nego elementu pasu­ją­cego do ato­mo­wych puzzli. Tym razem o pomyłce nie było mowy, co potwier­dziły naj­waż­niejsze ówczesne labo­ra­toria wysokich energii. Radość uczonych musiała być porów­ny­walna do tego co odczuli pra­cow­nicy CERN, po ujęciu w czerwcu 2012 roku bozonu Higgsa (notabene, Japoń­czyk również doczekał się nagrody Nobla). W końcu dowie­dzie­liśmy się jak wygląda łańcuch sku­wa­jący w jądrze protony i neutrony. Choć szcze­góły jego funk­cjo­no­wania wciąż pozo­sta­wały tajem­nicą.

Piony i inne mezony

Doświad­czenia pro­wa­dzone w akce­le­ra­to­rach umoż­li­wiły wyod­ręb­nienie bozonów Yukawy i dokładne oglę­dziny. To nie takie trudne: wystarczy roz­kwasić ze sobą dwa protony aby ujrzeć na ekranie produkty pod postacią nowego protonu, neutronu i mezonu. Rzecz w tym, że bawiąc się w roz­trza­ski­wanie okruchów materii, odkryto z czasem dwa ważne fakty. Po pierwsze, sam mezon pośred­ni­czący w oddzia­ły­waniu jądrowym wystę­puje pod trzema posta­ciami: ujemną, dodatnią i neu­tralną elek­trycznie. Po drugie, Murray Gell-Mann i spółka zde­ma­sko­wali protony i neutrony, dowodząc prze­trzy­my­wania w ich wnę­trzach trójek kwarków. Co istot­niejsze dla nas, podobną wsty­dliwą tajem­nicę skrywały również mezony – tyle, że zado­wa­lały się parą loka­torów.

Natu­ralnie otwie­rało to nowe moż­li­wości w sferze badań mikro­świata. Z kopyta ruszyły prace nad kla­sy­fi­ko­wa­niem wszel­kich moż­li­wych kom­pi­lacji kwarków. Obok dobrze znanych protonów i neu­tronów, w pod­ręcz­ni­kach pojawiły się nie­trwałe cząstki delta, lambda, sigma, omega… i to w różnych odmia­nach! Cząstka Yukawy również prze­stała być wyjąt­kowa; do tego stopnia, że mianem mezonów zaczęto określać wszelkie kwarkowe duety, jak np. kaon czy czar­mo­nium. Nośnik oddzia­ły­wania jądro­wego dla uści­ślenia ozna­czono jako mezon π, lub jak kto woli pion.

Swoją drogą, zwróć uwagę na drobny szczegół. Bozony, czyli cząstki o „pełnym” spinie, odpo­wia­da­jące za prze­no­szenie oddzia­ływań, zawsze kojarzą się z cząst­kami rze­czy­wi­ście ele­men­tar­nymi. Ani gluon, ani higgson, ani bozony W i Z, ani tym bardziej foton, nie posia­dają wewnętrznej struk­tury. Mezon π stanowi pewne novum, pozo­stając zbu­do­wany z kwarków – które same przecież do bozonów się nie zali­czają i na co dzień tworzą wszech­obecną materię.

Atomowy tenis

Dzia­łanie sił wią­żą­cych jądro atomu, zależnie od inter­pre­tacji, można przed­stawić w bardzo prosty sposób, bądź też poważnie je kom­pli­kować. Sposób pierwszy to kla­syczne wyobra­żenie pionu jako piłeczki teni­sowej, nie­ustannie wymie­nianej przez grające protony i neutrony. Pamiętaj tylko, że ta piłka nie należy do naj­mniej­szych (niemal 1/6 masy protonu!), co kom­pletnie odróżnia ją od śmi­ga­ją­cego z pręd­ko­ścią światła fotonu. Jeśli czytałeś tekst doty­czący wła­ści­wości próżni i sły­szałeś o polach kwan­to­wych, wiesz, że z im większym bytem mamy do czy­nienia, tym krócej istnieje. W takim razie, podczas gdy elek­tro­ma­gne­tyzm pokonuje niemal dowolnie wielkie odle­głości, pion dostaje zadyszki i „znika” nim prze­mierzy drogę z jednego końca jądra atomu na drugi.

Jako upier­dliwcy możemy jednak wgryźć się w temat ciut głębiej (ale też bez przesady…). Przyj­rzyj się teraz poniż­szej animacji obra­zu­jącej jedną z inter­pre­tacji oma­wia­nego mecha­nizmu. Widzimy w niej trójki kwarków (bariony) wymie­nia­jące między sobą gluony (te małe kropki) oraz kreację dwu­kwar­ko­wych pionów (mezony  π), również skle­ja­nych gluonami. 
mezony pi gif
To dobry moment na przy­po­mnienie istotnej infor­macji. Kwarki reagują na oddzia­ły­wanie kolorowe (mniejsza o jego defi­nicję), i chcą ze sobą prze­bywać tylko wtedy, gdy łącznie znoszą się dając „biel”. Kiedy jednak utkwią już w odpo­wiednim zespole, za diabła go nie opuszczą. Są na tyle uparte, iż żadne labo­ra­to­rium na świecie nie potrafi odizo­lować poje­dyn­czego kwarka. Oddzia­ły­wanie silne ma to do siebie, że para­dok­salnie daje cząstkom pełną swobodę, o ile pozo­stają sto­sun­kowo blisko siebie. Z kolei im bardziej kwark próbuje uciec, tym cięższy staje się jego łańcuch – odwrotnie od elek­tro­ma­gne­tyzmu czy gra­wi­tacji. A co jeśli kopniemy kwark na tyle mocno aby pokonać tę siłę? Kwark-solo nigdy nie ma prawa bytu, toteż energia jakiej użyliśmy zostanie spo­żyt­ko­wana… na kreację nowego kwarku.

Mezony wirtualne

W każdym atomie Twojego ciała, protony przy­tu­lają się z neu­tro­nami (bądź innymi pro­to­nami), przez co niosące ładunek kolorowy gluony pragną wyrwać się na wolność, ciągnąc za sobą jeden z kwarków. Miej na uwadze, że kwark nie ma moż­li­wości prze­sko­czenia sobie z cząstki na cząstkę ot tak, bo musiałby przez ułamek sekundy egzy­stować samo­dzielnie. Właśnie dlatego dochodzi do kreacji drugiego kwarka, który w połą­czeniu z uwol­nionym kwarkiem, daje mezon π. W porów­naniu do wcze­śniej­szego przy­kładu nie ma tu jednak elementu „kop­nięcia”, czyli dostar­czenia dużej dawki energii. Jeśli jesteś czujny, ale nie czytałeś poprzed­niego tekstu możesz poczuć się skon­fun­do­wany, bowiem potrzebna energia jest wydo­by­wana dosłownie z podziemi. Pion nosi cechy cząstki wir­tu­alnej, zatem jeśli musi, „pożycza” energię z próżni (w zgodzie zasadą nie­ozna­czo­ności), aby zniknąć po niecałej biliar­dowej części sekundy. To wystarczy aby wykre­ować mezon i przebyć śmiesznie krótki dystans pomiędzy protonem a neu­tronem.

W ramach cie­ka­wostki warto podać także nie­ty­pową inter­pre­tację inte­rakcji między dwoma pro­to­nami. Według Johna Gribbina powin­niśmy cały czas pamiętać, że dwa protony są bez­i­mienne i nie­roz­róż­nialne. W związku z tym równie dobrze mogli­byśmy stwier­dzić, iż proton A tracąc jeden z kwarków po prostu znika, a z jego energii (+ kredytu z banku próżni) wyłania się mezon π i proton B. Te z kolei ulegają pręd­kiemu zde­rzeniu, oddając energię próżni, a z reszty kreując proton C.

Jak widać, gra odby­wa­jąca się w każdym atomie materii jest pie­kielnie szybka; na tyle, że szcze­góły poszcze­gól­nych sekwencji umykają naszej per­cepcji. Inter­pre­tacja tego procesu i jego obrazowy opis to satys­fak­cjo­nu­jąca zabawa dla wielkich teo­re­tyków i cie­kaw­skich filo­zofów. Koniec końców, mecha­nizm działa i pozwolił nam na nie­zwykle pre­cy­zyjne zgłę­bienie tajemnic sił jądro­wych.
Literatura uzupełniająca:
S. Weinberg, Teoria pól kwantowych. Podstawy, przeł. D. Rzążewska, Warszawa 1999;
J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, przeł. J. Bieroń, Warszawa 1999;
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 1996.
podpis-czarny

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

  • Piotr Nabiał­czyk

    Proste jak rogalik

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://tycjan.ml tycjan

    Kolejny świetny artykuł, oby takich więcej. Potra­fisz świetnie tłu­ma­czyć zawi­łości świata kwan­to­wego, Einstein mawiał że „jeżeli nie potra­fisz wytłu­ma­czyć czegoś w prosty sposób to sam tego nie rozu­miesz”, jak widać ty rozu­miesz świetnie Pozdra­wiam

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • sprytny kot

    dosko­naly wstep do zapo­znania sie z bardziej spe­cja­li­stycznym tekstem.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Michał

    „działa tylko na długości milio­nowej części metra,”. Milio­nowe części metra można mierzyć mikro­me­trem. Czy aby napewno to milio­nowa część metra? To całkiem sporo by było.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Antoni Gaudi

    Jak to dobrze, że dwa dni temu skoń­czyłem „Dalej niż boska cząstka…” Leder­mana… bo raczej zro­zu­miałem Twój artykuł. Naprawdę świetnie uzu­pełnia książkę. Właśnie w podobny sposób wyobra­żałem sobie przej­ście protonu w neutron i odwrotnie. Wielkie uznanie dla Ciebie. Dobry tekst.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Mazi Mazula

    Świetny tekst i świetnie wytłu­ma­czona cudow­ność tego mecha­nizmu , fajnie sie czytało.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0