Mezony pi, czyli cząstki stawiające atom do pionu

W jądrze każdego z atomów toczy się nieustanna, dynamiczna gra. Kwarki sklejane gluonami tworzą swoiste tercety, postrzegane przez nas jako protony i neutrony. Te z kolei, trzymają się razem wyłącznie dzięki pośrednictwu skromnych bohaterów, znanych jako mezony π.

Kwarkowe kompozycje

mezon i barion

Na początek krótki wstęp terminologiczno-klasyfikacyjny, abyś czytelniku nie czuł się zanadto zagubiony. Jeśli nie czytałeś poprzednich tekstów, musisz wiedzieć, iż zalegające w centrum każdego atomu dodatnio naładowane protony oraz neutralne neutrony, są cząstkami elementarnymi już tylko z nazwy. Od ponad pół wieku fizycy zdają sobie sprawę, że mamy do czynienia ze zgrupowaniami trzech bardziej elementarnych tworów, zwanych kwarkami. Przepis jest następujący: dwa kwarki górne wespół z jednym kwarkiem dolnym tworzą proton, a dwa kwarki dolne z jednym kwarkiem górnym dają neutron. Można otrzymać wiele innych kwarkowych kompozycji; na tyle wiele, że uczeni ustanowili różnego typu klasyfikacje. Najistotniejszy wydaje się podział na bariony i mezony. Te pierwsze to obiekty noszące w sobie trójki kwarków, i właśnie do nich zaliczymy m.in. protony i neutrony. Mezony natomiast, to cząstki zbudowane wyłącznie z dwóch kwarków – tak jak mezon pi, o którym porozmawiamy niebawem. Aha, bym zapomniał. Spójność wszystkich barionów i mezonów jest gwarantowana przez oddziaływanie silne, oparte o kwantowy klej, pod postacią gluonów i ładunku kolorowego. Ale to w tym momencie mniej istotne.

Na łamach bloga już dwukrotnie (tu i tu) rozpatrywaliśmy naturę oddziaływania silnego. Jak wskazuje sama nazwa, mowa o potężnym, choć krótkodystansowym wiązaniu: działa tylko na długości bilionowej części metra, ale stanowi ponad stokrotnie mocniejsze spoiwo od elektromagnetyzmu. W tamtych tekstach skupialiśmy się jednak na samej podstawie, tj. wymianie gluonów między więzionymi kwarkami. Tym razem wespniemy się o szczebel wyżej, sprawdzając co odpowiada za interakcję między całymi protonami i neutronami. Innymi słowy, poszukamy czynnika, któremu zawdzięczamy trwałość jąder atomów. W tym przypadku bowiem, sama gluonowa zaprawa wszystkiego nie wyjaśnia.

Hideki Yukawa i tajemnica atomowego jądra

Opisu tego – jakby nie patrzeć dość fundamentalnego zjawiska – dostarczył nam profesor uniwersytetów w Tokio i Nowym Jorku, Hideki Yukawa. Warto zwrócić uwagę, że cofamy się do lat 30. i 40., czasów gdy nowoczesna fizyka cząstek elementarnych dopiero raczkowała a modelu standardowego nie było nawet w planach. Naukowcy w pocie czoła udoskonalali techniki pozyskiwania energii nuklearnej, jednocześnie nie mając pojęcia o kwarkach, gluonach, neutrinach, bozonach W, Z i całej reszcie tałatajstwa. Yukawa wiedział na pewno jedno: oddziaływanie elektromagnetyczne może utrzymywać elektrony wokół atomowych jąder, ale z całą pewnością nie ono odpowiada za spojenie samego jądra. Potrzebne było nowe skalarne pole kwantowe, niezależne od pola elektromagnetycznego, oddziałujące wyłącznie z cząstkami jądra.

Jak przystało na teoretyka, wydedukował rychło główne cechy przenoszącej to pole cząstki, na czele z masą. Nie wystarczyło aby poszukiwany bozon po prostu posiadał masę (co już mocno odróżniało go od fotonu); masa musiała być nielicha i lokować go gdzieś pomiędzy elektronem a protonem (stąd nazwa mezonu, meso – między). Masa co najmniej 200 elektronów tłumaczyłaby dlaczego tak silne wiązanie pozostaje kompletnie nieodczuwalne poza centrum atomu.

yukawa
Trzech wielkich teoretyków na przechadzce w Princeton: Albert Einstein, Hideki Yukawa i John Archibald Wheeler.

Postulowaną przez Japończyka cegiełkę upolowano niemal natychmiast. Nie był to jednak wyjątkowy łut szczęścia, a nieprawdopodobny pech. Niecodzienny zbieg okoliczności wyglądał następująco: fizyk zamawia w swojej pracy nową cząstkę 200 razy masywniejszą od elektronu, eksperymentatorzy trafiają na ślad właśnie czegoś takiego, aby chwilę później… okazało się, że to zupełnie inna nieznana dotąd cząstka o bliźniaczych gabarytach. Obecnie nazywamy ją mionem i wiemy, że jest przygrubym kuzynem elektronu. Poszukiwania mezonu trwały dalej.

Przełom nastąpił niecałą dekadę później, gdy w promieniowaniu kosmicznym zauważono ślad kolejnego elementu pasującego do atomowych puzzli. Tym razem o pomyłce nie było mowy, co potwierdziły najważniejsze ówczesne laboratoria wysokich energii. Radość uczonych musiała być porównywalna do tego co odczuli pracownicy CERN, po ujęciu w czerwcu 2012 roku bozonu Higgsa (notabene, Japończyk również doczekał się nagrody Nobla). W końcu dowiedzieliśmy się jak wygląda łańcuch skuwający w jądrze protony i neutrony. Choć szczegóły jego funkcjonowania wciąż pozostawały tajemnicą.

Piony i inne mezony

Doświadczenia prowadzone w akceleratorach umożliwiły wyodrębnienie bozonów Yukawy i dokładne oględziny. To nie takie trudne: wystarczy rozkwasić ze sobą dwa protony aby ujrzeć na ekranie produkty pod postacią nowego protonu, neutronu i mezonu. Rzecz w tym, że bawiąc się w roztrzaskiwanie okruchów materii, odkryto z czasem dwa ważne fakty. Po pierwsze, sam mezon pośredniczący w oddziaływaniu jądrowym występuje pod trzema postaciami: ujemną, dodatnią i neutralną elektrycznie. Po drugie, Murray Gell-Mann i spółka zdemaskowali protony i neutrony, dowodząc przetrzymywania w ich wnętrzach trójek kwarków. Co istotniejsze dla nas, podobną wstydliwą tajemnicę skrywały również mezony – tyle, że zadowalały się parą lokatorów.

Naturalnie otwierało to nowe możliwości w sferze badań mikroświata. Z kopyta ruszyły prace nad klasyfikowaniem wszelkich możliwych kompilacji kwarków. Obok dobrze znanych protonów i neutronów, w podręcznikach pojawiły się nietrwałe cząstki delta, lambda, sigma, omega… i to w różnych odmianach! Cząstka Yukawy również przestała być wyjątkowa; do tego stopnia, że mianem mezonów zaczęto określać wszelkie kwarkowe duety, jak np. kaon czy czarmonium. Nośnik oddziaływania jądrowego dla uściślenia oznaczono jako mezon π, lub jak kto woli pion.

Swoją drogą, zwróć uwagę na drobny szczegół. Bozony, czyli cząstki o “pełnym” spinie, odpowiadające za przenoszenie oddziaływań, zawsze kojarzą się z cząstkami rzeczywiście elementarnymi. Ani gluon, ani higgson, ani bozony W i Z, ani tym bardziej foton, nie posiadają wewnętrznej struktury. Mezon π stanowi pewne novum, pozostając zbudowany z kwarków – które same przecież do bozonów się nie zaliczają i na co dzień tworzą wszechobecną materię.

Atomowy tenis

Działanie sił wiążących jądro atomu, zależnie od interpretacji, można przedstawić w bardzo prosty sposób, bądź też poważnie je komplikować. Sposób pierwszy to klasyczne wyobrażenie pionu jako piłeczki tenisowej, nieustannie wymienianej przez grające protony i neutrony. Pamiętaj tylko, że ta piłka nie należy do najmniejszych (niemal 1/6 masy protonu!), co kompletnie odróżnia ją od śmigającego z prędkością światła fotonu. Jeśli czytałeś tekst dotyczący właściwości próżni i słyszałeś o polach kwantowych, wiesz, że z im większym bytem mamy do czynienia, tym krócej istnieje. W takim razie, podczas gdy elektromagnetyzm pokonuje niemal dowolnie wielkie odległości, pion dostaje zadyszki i “znika” nim przemierzy drogę z jednego końca jądra atomu na drugi.

mezony pi gif

Jako upierdliwcy możemy jednak wgryźć się w temat ciut głębiej (ale też bez przesady…). Przyjrzyj się teraz poniższej animacji obrazującej jedną z interpretacji omawianego mechanizmu. Widzimy w niej trójki kwarków (bariony) wymieniające między sobą gluony (te małe kropki) oraz kreację dwukwarkowych pionów (mezony  π), również sklejanych gluonami. 

To dobry moment na przypomnienie istotnej informacji. Kwarki reagują na oddziaływanie kolorowe (mniejsza o jego definicję), i chcą ze sobą przebywać tylko wtedy, gdy łącznie znoszą się dając “biel”. Kiedy jednak utkwią już w odpowiednim zespole, za diabła go nie opuszczą. Są na tyle uparte, iż żadne laboratorium na świecie nie potrafi odizolować pojedynczego kwarka. Oddziaływanie silne ma to do siebie, że paradoksalnie daje cząstkom pełną swobodę, o ile pozostają stosunkowo blisko siebie. Z kolei im bardziej kwark próbuje uciec, tym cięższy staje się jego łańcuch – odwrotnie od elektromagnetyzmu czy grawitacji. A co jeśli kopniemy kwark na tyle mocno aby pokonać tę siłę? Kwark-solo nigdy nie ma prawa bytu, toteż energia jakiej użyliśmy zostanie spożytkowana… na kreację nowego kwarku.

Mezon wirtualny

W każdym atomie Twojego ciała, protony przytulają się z neutronami (bądź innymi protonami), przez co niosące ładunek kolorowy gluony pragną wyrwać się na wolność, ciągnąc za sobą jeden z kwarków. Miej na uwadze, że kwark nie ma możliwości przeskoczenia sobie z cząstki na cząstkę ot tak, bo musiałby przez ułamek sekundy egzystować samodzielnie. Właśnie dlatego dochodzi do kreacji drugiego kwarka, który w połączeniu z uwolnionym kwarkiem, daje mezon π. W porównaniu do wcześniejszego przykładu nie ma tu jednak elementu “kopnięcia”, czyli dostarczenia dużej dawki energii. Jeśli jesteś czujny, ale nie czytałeś poprzedniego tekstu możesz poczuć się skonfundowany, bowiem potrzebna energia jest wydobywana dosłownie z podziemi. Pion nosi cechy cząstki wirtualnej, zatem jeśli musi, “pożycza” energię z próżni (w zgodzie zasadą nieoznaczoności), aby zniknąć po niecałej biliardowej części sekundy. To wystarczy aby wykreować mezon i przebyć śmiesznie krótki dystans pomiędzy protonem a neutronem.

W ramach ciekawostki warto podać także nietypową interpretację interakcji między dwoma protonami. Według Johna Gribbina powinniśmy cały czas pamiętać, że dwa protony są bezimienne i nierozróżnialne. W związku z tym równie dobrze moglibyśmy stwierdzić, iż proton A tracąc jeden z kwarków po prostu znika, a z jego energii (+ kredytu z banku próżni) wyłania się mezon π i proton B. Te z kolei ulegają prędkiemu zderzeniu, oddając energię próżni, a z reszty kreując proton C.

Jak widać, gra odbywająca się w każdym atomie materii jest piekielnie szybka; na tyle, że szczegóły poszczególnych sekwencji umykają naszej percepcji. Interpretacja tego procesu i jego obrazowy opis to satysfakcjonująca zabawa dla wielkich teoretyków i ciekawskich filozofów. Koniec końców, mechanizm działa i pozwolił nam na niezwykle precyzyjne zgłębienie tajemnic sił jądrowych.

Literatura uzupełniająca:
S. Weinberg, Teoria pól kwantowych. Podstawy, przeł. D. Rzążewska, Warszawa 1999;
J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, przeł. J. Bieroń, Warszawa 1999;
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 1996.
7 dowodów na to, że nauka bywa niebezpieczna Nagroda za największą intergalaktyczną erupcję energii wędruje do… Historia pewnego zdjęcia