Gluony, czyli kwantowe kolorowanki [+słowo o egzotycznych hadronach]

W niedawnym tekście poświęconym kwarkom i hadronom, dowiedzieliśmy się, że pewne cząstki zwane elementarnymi – jak protony i neutrony – wcale elementarne nie są. Dziś zastanowimy się nad tym, co sprawia, że kwarki tak chętnie wchodzą ze sobą w komitywę..

Przy okazji, rzucimy okiem na głośną ostat­nimi czasy sprawę tzw. hadronów egzotycznych.

Kolorowy kort

Na początek prze­nie­śmy się na kort tenisowy. Nie taki zwykły, na którym popisują się roz­ka­pry­szeni gwiaz­do­rzy, lecz mikro­sko­pijny kort kwantowy, gdzie rolę zawod­ni­ków oraz piłki pełnią cząstki ele­men­tarne. W taki właśnie prosty sposób nie-fizyk może sobie wyobra­zić inte­rak­cje między dro­bi­nami materii. Kiedy ustawimy koło siebie dwie nie­neu­tralne elek­trycz­nie cząstki, dojdzie do swoistej wymiany piłek – fotonów, czyli nośników oddzia­ły­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego. Taki mecha­nizm odpo­wiada m.in. za wspólną egzy­sten­cję protonów i elek­tro­nów budu­ją­cych wszyst­kie atomy. Problem polega na tym, że nie wszyscy gracze chcą się anga­żo­wać w tę samą zabawę: jedni stawiają na tenis ziemny, inni wolą soft tenis, a jeszcze inni ping-ponga. 

Naukowcy zaj­mu­jący się zgłę­bia­niem tajemnic hadronów, mieli aż nadto dowodów aby stwier­dzić, że powszechny i dobrze znany elek­tro­ma­gne­tyzm nie wyjaśnia w żaden sposób zjawisk zacho­dzą­cych między kwarkami. Wspo­mnijmy cho­ciażby o tym, iż gra, w której uczest­ni­czą kwarki rozgrywa się jedynie na bardzo, bardzo małych boiskach: powyżej roz­mia­rów sub­a­to­mo­wych staje się zupełnie nie­wi­doczna, a przecież fotony wesoło fruwają na odle­gło­ści mię­dzy­gwiezdne. Nie­ty­powy był również wspo­mniany w poprzed­nim tekście efekt swobody asymp­to­tycz­nej: Z czym­kol­wiek eks­pe­ry­men­ta­to­rzy mieli do czy­nie­nia, działało słabiej gdy cząstki znaj­do­wały się blisko, a pocią­gało za smycz gdy pró­bo­wały się od siebie oddalić. W latach 70. teo­re­tycy orzekli, że aby wyjaśnić te i inne kwarkowe dziwy, potrzeba ugryźć temat od zupełnie innej strony. W ten sposób fizyka wpadła na zupełnie nową cechę cząstek, ele­gancko nazwaną przez Murraya Gell-Manna kolorem. 

Chromolę taką fizykę!

Kolor w świecie kwantów nie ma w żadnym wypadku nic wspól­nego z roz­róż­nia­nymi przez nasze oczy barwami. To jedynie wdzięczna metafora, poma­ga­jąca wyobra­zić sobie pewną abs­trak­cyjną wła­ści­wość. Jakby się uprzeć, kolor cha­rak­te­ry­zu­jący kwarki można w pewnej mierze przy­rów­nać do ładunku elek­trycz­nego. Tyle tylko, że ładunek wybiera jedynie z pośród dwóch kie­run­ków (dodatni bądź ujemny), nato­miast kolory są trzy. Osoby pamię­ta­jące cokol­wiek ze szkol­nych lekcji plastyki, kojarzą tzw. pod­sta­wową paletę – czerwony, nie­bie­ski i zielony – które po wymie­sza­niu dają biel. Fizycy wymy­ślili to całkiem sprytnie, bowiem ładunki kolorowe mogą wystę­po­wać jedynie w ściśle okre­ślo­nych kon­fi­gu­ra­cjach, a więc każdy hadron osta­tecz­nie powinien być pozba­wiony barwy. To dość istotne, o czym prze­ko­nali się fizycy przy okazji odkrycia cząstki o niezbyt poetyc­kiej nazwie Δ++.

Doświad­cze­nia wska­zy­wały, iż nie­sforna delta zawiera w sobie trio kwarków górnych. Nie byłoby w tym nic złego gdyby nie upier­dliwy Wolfgang Pauli i jego słynny zakaz, w naj­prost­szym ujęciu zabra­nia­jący pozo­sta­wa­nia kilku cząstkom w iden­tycz­nym stanie. Nowy rodzaj ładunku od ręki roz­wią­zy­wał ten kłopot, ponieważ nawet gdy każdy z kwarków posiada taką samą masę, ładunek, spin i zapach (to jeszcze jedna z liczb kwan­to­wych, ale darujmy ją sobie) to jednak odróżnia je kolor. Tak właśnie, w przy­kła­do­wym protonie zawsze odnaj­dziemy kwark czerwony, nie­bie­ski i zielony, w wyniku czego cząstka pozo­staje biała. Jedyną kom­pli­ka­cją uchy­bia­jącą pro­sto­cie tej barwnej metafory jest wystę­po­wa­nie anty­ko­lo­rów. Jednak zasada zostaje ta sama: badając mezony, czyli typ hadronu zło­żo­nego z dwóch kwarków, trafimy na układy czer­wo­nego z anty­czer­wo­nym, nie­bie­skiego z anty­nie­bie­skim lub zie­lo­nego z anty­zie­lo­nym. Nie­wy­klu­czony jest również hadron zbu­do­wany z koloru anty­czer­wo­nego, anty­nie­bie­skiego i anty­zie­lo­nego. Byleby kolory wza­jem­nie się znosiły.

Cała ta zabawa w kolo­ro­wa­nie z greki uzyskała nazwę chro­mo­dy­na­miki kwan­to­wej (QCD). Pozo­stało tylko wytłu­ma­cze­nie w jaki sposób ów ładunek kolorowy się przenosi – bo jak zauwa­ży­li­śmy wcze­śniej, na pewno nie za sprawą fotonów. Nowe pole wymagało nowego nośnika oddzia­ły­wa­nia (czyli bozonu), który ochrzczono mianem gluonu. Tak jak elek­trony koeg­zy­stują z pro­to­nami poprzez wymianę fotonów, tak kwarki uwię­zione w hadro­nach emitują i pochła­niają gluony. Gwoli ści­sło­ści, praca Gell-Manna i Harolda Fritz­scha wykazała, że powinno istnieć osiem rodzajów gluonów aby cała teoria miała ręce i nogi. 

Co ciekawe dziś wiemy, że gluony są tożsame z fotonami niemal pod każdym względem; podobnie jak one nie posia­dają masy ani ładunku elek­trycz­nego. Drob­nostką, która wszystko zmienia okazał się stosunek do… koloru. To dość zaska­ku­jące, bo o ile fotony ignorują prze­no­szony przez siebie towar (i dobrze, w prze­ciw­nym razie wszech­świat wyglą­dałby zupełnie inaczej), o tyle gluony reagują na swój własny ładunek. Innymi słowy chcą wchodzić w inte­rak­cję same ze sobą! Ma to kluczowe zna­cze­nie. Na pewno każdy z was kojarzy proste doświad­cze­nie z magnesem i opiłkami żelaza, mające una­ocz­nić kształt linii pola elek­tro­ma­gne­tycz­nego. Jak wiadomo opiłki ułożą się w łuki łączące plus z minusem. Gdyby istniała moż­li­wość prze­pro­wa­dze­nia ana­lo­gicz­nego eks­pe­ry­mentu odsła­nia­ją­cego kształt oddzia­ły­wa­nia silnego (kolo­ro­wego), ujrze­li­by­śmy proste linie, ułożone wobec siebie rów­no­le­gle. Można sobie wyobra­zić, że śmi­ga­jący między kwarkami kurierzy, mijając się wza­jem­nie korygują swoje trasy (Jak jedziesz baranie!) przez co nie mogą się rozbiec. Sprawia to, iż gluony trzymane są w kolo­ro­wych ryzach i dążą prosto do celu, a prze­no­szona przezeń siła w ogóle nie chce słabnąć. Wręcz prze­ciw­nie, linie oddzia­ły­wa­nia silnego, niczym nacią­gane gumy eks­pan­dera stawiają opór wraz z próbą ich roz­cią­gnię­cia! Mniej więcej w ten sposób fizycy wyja­śnili mecha­nizm rządzący asymp­to­tyczną swobodą. 

Kwarkowo-gluonowa egzotyka

Ale to nie wszystko co przy­nio­sła chro­mo­dy­na­mika kwantowa. W roku 1975 Peter Min­kow­ski (nie mylić ze sławnym mate­ma­ty­kiem Her­man­nem Min­kow­skim) wpadł na nie­kon­wen­cjo­nalny pomysł: skoro gluony chcą wchodzić ze sobą w inte­rak­cję, to być może mogłyby samo­dziel­nie utworzyć cząstkę. Aby pojąć oso­bli­wość tego konceptu musimy powtó­rzyć, że gluony to tylko bozony, cząstki prze­no­szące oddzia­ły­wa­nia, a nie budujące materię. To trochę tak jak gdyby założyć ist­nie­nie cząstek zło­żo­nych wyłącz­nie z fotonów, czyli materii zbu­do­wa­nej ze… światła. Hipo­te­tyczne kwantowe kołtuny zyskały miano kul glu­ono­wych. Czy taka egzo­tyczna cząstka ma prawo zaist­nieć w rze­czy­wi­sto­ści? Opty­mi­ści twierdzą, że i owszem, ale wykrycie jest utrud­nione w związku z ich bły­ska­wicz­nym rozpadem wyno­szą­cym około kwa­dry­liar­do­wej części sekundy.

Zgodnie z obiet­nicą, chciał­bym jeszcze zwrócić uwagę, na niedawne odkrycie, luźno związane z powyż­szym. Luźno, ponieważ dotyczy ono cząstek egzo­tycz­nych w trochę innym sensie. Wszyst­kie hadrony, o których pisa­li­śmy dotych­czas funk­cjo­nują jako kom­bi­na­cje trzech (bariony) bądź dwóch (mezony) kwarków. Tym­cza­sem, kilka dni temu naukowcy z CERN ogłosili, że praw­do­po­dob­nie wreszcie złapali tetra­kwark, czyli jak nazwa wskazuje cząstkę złożoną z czterech kwarków (choć warto zauważyć, że pierwsze pogłoski o nie­ty­po­wym hadronie pojawiły się już w roku 2008). Aby pojąć powagę, czy raczej egzotykę tej sytuacji, musimy cofnąć się w naszej bajce do momentu gdy wielki mistrz zakonu kwarków Murray Gell-Mann, obwie­ścił światu swe obja­wie­nie doty­czące wewnętrz­nej struk­tury hadronów.

Otóż, gdy pół wieku temu fizyk postawił swoją hipotezę, szybko się zorien­to­wał, że cegiełki poten­cjal­nie budujące m.in. protony, muszą posiadać ładunek elek­tryczny (wreszcie odcho­dzimy od kolo­ro­wa­nek) wyrażony w ułamku. Była to nowość, bowiem wszyst­kie poznane do tej pory cząstki posia­dały zadzi­wia­jąco równą wielkość ładunku wyno­szącą około 1,602×10-19 C. Wszyscy byli przy­zwy­cza­jeni, że dana cząstka posiada po prostu ładunek ‑1 bądź +1, a nowa teoria wymagała aby kwarki cecho­wały się ładun­kiem mniej­szym, tak aby dopiero po zsu­mo­wa­niu dały upra­gnioną jedynkę. Gell-Mann prze­trwał krót­ko­trwałą burzę i dziś nikt nie ma wąt­pli­wo­ści, że na proton składają się trzy kwarki o ładun­kach +2/3, +2/3 i ‑1/3, co łącznie daje +1. Dla porów­na­nia, czte­ro­listna koni­czyna zna­le­ziona w ramach projektu LHC­be­auty (cząstka Z(4430)) składa się z wpra­wia­ją­cego w zakło­po­ta­nie kwar(k)tetu: kwark powabny +2/3, anty­kwark powabny ‑2/3, kwark dolny ‑1/3 i anty­kwark górny ‑2/3.

Zresztą z kolorami także kolorowo nie jest – anomalie również wystę­pują. Czy skłonią fizyków do prze­mo­de­lo­wa­nia utartych kon­cep­cji? Sceptycy uważają, że cząstki wyglą­da­jące na tetra­kwarki, w rze­czy­wi­sto­ści są jedynie dziwnym zlepkiem dwóch mezonów. Pozo­staje uzbroić się w cier­pli­wość, zwłasz­cza, że dostęp­nych infor­ma­cji na temat egzo­tycz­nych hadronów, na razie jest jak na lekar­stwo (czyt. ja też chcę wiedzieć więcej!).

Literatura uzupełniająca:
P. Gagnon, LHCb confirms existence of exotic hadrons, [online: http://www.quantumdiaries.org/2014/04/09/major-harvest-of-four-leaf-clover/];
Welcome to the LHCb experiment, [online: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/];
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005;
A. Dzierbaa, C. Meyerb, E. Swansonc, tłum. Marek Więckowski, Na tropie egzotycznych hadronów, “Postępy Fizyki”, Tom 56, Zeszyt I, Warszawa 2005.
Total
1
Shares
Inne teksty