Kwarki, czyli kwantowi więźniowie

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.
Kwantowe interpretacje: kopenhaska twierdza Bohra 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o kosmicznych neutrinach Księga czasoprzestrzeni