Czytaj dalej

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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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