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.

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.
Sedna vs V774104 – Pojedynek na krańcu Układu Głupota na niedzielę: Fronda i mechanika kwantowa 7 naukowych seks skandalistów