Uczy się nas w szkole, że składamy się z trzech rodzajów cząstek: elektronów, protonów i neutronów. Jednak na poziomie elementarnym powinniśmy wymienić elektrony, kwarki dolne oraz kwarki górne.

Wyobraź­cie sobie, że macie przed sobą nie­ty­powe zadanie: musicie zapoznać się z układem pomiesz­cze­nia, w którym się znaj­du­je­cie i z jego z struk­turą, bez używania wzroku. Wasze oczy zasło­nięto, a do dys­po­zy­cji macie jedynie koszyk pełen kau­czu­ko­wych piłeczek. Nawet rzucając piłkami 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, iż niektóre cząstki ele­men­tarne, tak naprawdę wcale ele­men­tarne nie są.

W rze­czy­wi­sto­ści rolę piłeczek pełniła wiązka elek­tro­nów, którą obijano spo­czy­wa­jące w jądrach ato­mo­wych, znacznie masyw­niej­sze protony. Metoda zwana roz­pra­sza­niem elek­tro­nów, opa­ten­to­wana dekadę wcze­śniej przez Roberta Hofstad­tera, pozwo­liła całkiem dokład­nie zmierzyć średnicę tego nukleonu (ok. 10−14 m) i odsło­niła nie­jed­no­lite roz­ło­że­nie jego dodat­niego ładunku elek­trycz­nego. Z jakiegoś powodu zdawało się ono inten­syw­niej­sze w centrum niż na brzegach, co zaprze­czyło prostemu wyobra­że­niu protonu 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, czyli kwark, 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: górne, dolne, powabne, dziwne, wysokie i niskie

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.
Swoboda asymptotyczna uniemożliwia wyodrębnienie samotnego kwarku
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.

  • 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

    • https://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

  • Dominik Kurek

    Zdanie z przy­to­czo­nej powieści nie powinno po polsku raczej znaczyć
    “Trzy twarogi (kwarki) za zdobycie znaku”?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Kosmiczna symfonia cz.2: Od kwantu do struny | Kwantowo.pl()

  • Pingback: Kosmiczna symfonia cz.3: Teoria strun | Kwantowo.pl()

  • Pingback: Kosmiczna symfonia cz.3: Teoria strun | Kwantowo.pl()

  • yinyang

    Naj­bar­dziej intry­gu­jąca dla mnie istota samego oddzia­ły­wa­nia silnego, jego naj­głęb­sza natura. Samo stwier­dze­nie, że gluony prze­no­szą siły oddzia­ły­wa­nia jest dla mnie zbyt powierz­chowne. Jak to się dzieje, że wymiana gluonów spaja kwarki ze sobą, trzy­ma­jąc je w swoistym wię­zie­niu. Na czym polega istota tej siły, tego oddzia­ły­wa­nia, czym ono jest. Artykuł fajnie opisuje sub­a­to­mowy proces, jednak na powyższe pytanie nie daje odpo­wie­dzi. Czy taka odpo­wiedź w ogóle jest znana.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • król cierni

    I to jest coś o czym w szkole nie uczono mnie chyba wogóle. Jestem jeszcze tym poko­le­niem dla którego cząstka ele­men­tarna ozna­czała coś naprawde ele­men­tar­nego. Tym­cza­sem tak jak atom miał być kiedyś nie­po­dzielny tak protony i neutrony okazują się zbu­do­wane z kwarków. I mam prze­czu­cie że tak jak atom tak proton też uda nam się kiedyś rozbić uwal­nia­jąc te kwarki pewnie z uwol­nie­niem wielkiej energii co da nam nowe źródełko energii. 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0