Mezony i oscylujące kwarki

Tam i z powrotem. Mezonowe oscylacje i asymetria stworzenia

Uzyskaliśmy potwierdzenie, że kolejny rodzaj cząstki potrafi transformować w antycząstkę i odwrotnie. Tego rodzaju oscylacje powoli stają się chlebem powszednim fizyki wysokich energii.

Małe pomiary mogą nam powie­dzieć wielkie rzeczy.

Mark Williams

Nie­zwy­kle staranne pomiary bry­tyj­skich fizyków współ­pra­cu­ją­cych z CERN-em dowiodły, że mezony D0 złożone z par kwark-anty­kwark powabny (ozna­czane też jako kwarki c od słowa charm) cechuje wyjąt­kowa chi­me­rycz­ność. Oto cząstka pod­le­ga­jąca rozpadom w prze­ciągu bilio­no­wej części sekundy, potrafi dokonać spon­ta­nicz­nej trans­for­ma­cji: przejść “na drugą stronę lustra” i prze­isto­czyć się we własną antycząstkę.

Spokojnie, to tylko mezony

Mezony i bariony

Brzmi strasz­nie, wiem. Dlatego zanim przej­dziemy dalej, aby nikt nie poczuł się zagu­biony, zwy­cza­jowo zacznijmy od zer­k­nię­cia na model stan­dar­dowy, sys­te­ma­ty­zu­jący naszą wiedzę na temat mikro­świata. Wystar­czy szybki rzut okiem, aby zauważyć, że teoria dzieli ele­men­tarne cegiełki materii na dwie główne grupy: kwarki oraz nie­istotne dla dalszej narracji leptony. Musicie wiedzieć, że z pewnych powodów[1] kwarki nie znoszą samot­no­ści i zawsze dążą do łączenia się w trójkąty – okre­ślane przez fizyków mianem barionów – lub pary, kon­kret­niej pary kwark-anty­kwark – nazywane mezonami.

Jeśli nigdy wcze­śniej nie sły­sze­li­ście tej nazwy, nic nie szkodzi. O ile niektóre bariony zrobiły w dziejach wszech­świata zawrotną karierę – mam na myśli obecne w jądrze każdego atomu protony i neutrony – o tyle mezony nie posia­dają tak sławnych repre­zen­tan­tów. (Chociaż po cichu liczę na to, że czy­tel­ni­kom bloga obiła się o uszy przy­naj­mniej nazwa mezonów pi, czyli pionów. Nie? No trudno.).

Kwarki w modelu standardowym
Model stan­dar­dowy sys­te­ma­ty­zuje naszą wiedzę na temat naj­mniej­szych cegiełek materii. Różne kon­fi­gu­ra­cje kwarków tworzą bariony i mezony.

Zde­cy­do­wana więk­szość mezonów powstaje wyłącz­nie w warun­kach labo­ra­to­ryj­nych i ginie w prze­ciągu milio­no­wych, miliar­do­wych lub bilio­no­wych części sekundy. Jednak to właśnie zabawy z tymi nie­sta­bil­nymi i nie­na­tu­ral­nymi związ­kami kwarków, naj­moc­niej posze­rzają wiedzę fizyków na temat głę­bo­kiej struk­tury materii. Związki kwark-anty­kwark pozo­stają szcze­gól­nie eks­cy­tu­ją­cym przy­kła­dem kwan­to­wo­me­cha­nicz­nej mie­sza­niny stanów. Obie cząstki oscylują między dostęp­nymi toż­sa­mo­ściami, co jakiś czas przy­wdzie­wa­jąc maskę partnera i trans­for­mu­jąc we własne alter ego.

Cząstki0

Tego­roczny eks­pe­ry­ment prze­pro­wa­dzony w CERN uchwycił wystę­po­wa­nie takiego manewru w przy­padku mezonu D zło­żo­nego z pary kwark-anty­kwark powabny. Muszę od razu zazna­czyć, że nie sta­no­wiło to aż tak pio­nier­skiego i prze­ło­mo­wego odkrycia, jak wyni­ka­łoby to z więk­szo­ści prze­ka­zów medial­nych. Podobne efekty w doświad­cze­niach z innymi cząst­kami reje­stru­jemy od początku obecnego stulecia. Zaczęło się w ame­ry­kań­skim Fer­mi­la­bie, gdzie już w roku 2006 dowie­dziono oscy­la­cji mezonu B, kry­ją­cego w sobie kwark i anty­kwark niski. Następ­nie przy­szedł czas na mezon K (kaon) złożony z kwarka dolnego i anty­kwarka dziwnego (bądź na odwrót). Stawia to sprawę mezonu D dopiero na trzecim miejscu[2], co oczy­wi­ście nie zmienia faktu, że każde kolejne upraw­do­po­dob­nie­nie tezy o kwan­to­wej labil­no­ści mezonów jest cenne.

Wszyst­kie wymie­nione wyżej zjawiska okre­ślamy zbiorczo mianem oscy­la­cji cząstek neu­tral­nych. Dlaczego neu­tral­nych? Każdy mezon może wystę­po­wać w kilku warian­tach, zależnie od posia­da­nego ładunku elek­trycz­nego bądź jego braku. Oscy­la­cje o jakich mowa dotyczą zawsze wersji 0, kiedy to ładunki obu kwarków ulegają wza­jem­nemu znie­sie­niu. Nie jest to przy­pa­dek. W zgodnej parze cząstka może trans­for­mo­wać w anty­cząstkę, a anty­cząstka w cząstkę, ponieważ nie wyrządza to szkody zasadzie zacho­wa­nia ładunku elek­trycz­nego. Matka Natura jest pod tym względem bez­kom­pro­mi­sowa i nie pozwala na to, aby “plus” lub “minus” powstał z niczego. Skoro jednak cało­ściowy ładunek mezonu nie ulega zmianie, problem nie istnieje.

Przy okazji uzy­ska­li­śmy już odpo­wiedź na inne rozsądne pytanie: w jaki sposób obojętny elek­trycz­nie mezon może w ogóle posiadać anty­cząstkę? Przy­kła­dowo, kaon K0 składa się z kwarka dolnego (ładunek ‑1/3) i anty­kwarka dziwnego (1/3), nato­miast kaon K-0 mieści w sobie anty­kwark dolny (1/3) i kwark dziwny (-1/3)[3]. W obu przy­pad­kach cał­ko­wity ładunek mezonu pozo­staje obojętny, zmienia się nato­miast jego struk­tura wewnętrzna. Powtórzmy więc, że wszelkie oscy­la­cje – zarówno K0-K-0, B0-B-0 jak i D0-D-0 – dotyczą jedynie mezonów neu­tral­nych i stanowią echo wewnętrz­nych trans­for­ma­cji kwark w anty­kwark i odwrotnie.

Mezon i jego antycząstka
Nawet mezony neu­tralne elek­trycz­nie mogą posiadać swoje anty­cząstki. Dla kaonu zło­żo­nego z anty­kwarka dziwnego i kwarka dolnego, odpo­wied­ni­kiem będzie antykaon zbu­do­wany odwrot­nie – z kwarka dziwnego i anty­kwarka dolnego.

Pęknięte symetrie

Pozo­staje jeszcze kwestia, dlaczego oscy­la­cje w ogóle inte­re­sują fizyków? Okazuje się mia­no­wi­cie, że tajem­nica prze­sko­ków między materią i anty­ma­te­rią pozo­staje kluczem do zro­zu­mie­nia symetrii CP, czy raczej jej braku.

Już tłumaczę w czym rzecz. Trans­for­ma­cje cząstka-anty­cząstka to tylko jedna z przemian, przez które mogą prze­cho­dzić cząstki ele­men­tarne. Nie wdając się w szcze­góły, więk­szość cząstek oscyluje np. między dwiema skręt­no­ściami: lewa, prawa, lewa, prawa, lewa, prawa… Sam ten fakt nie byłby pewnie zbyt doniosły, gdyby nie pewne intry­gu­jące odkrycie. Wiele dekad temu prze­pro­wa­dzono eks­pe­ry­ment[4], który dowiódł, że jedna i ta sama drobina doznaje rozpadu np. tylko w fazie lewo­skręt­no­ści. Kon­se­kwen­cje uzy­ska­nych wyników były dru­zgo­cące. Wyglą­dało na to, że zależnie od chwi­lo­wego stanu oscy­lu­ją­cego obiektu, zmianie ulegają również jego niektóre wła­ści­wo­ści fizyczne. Używając mądrych słów, powie­dzie­li­by­śmy, że doszło do nie­za­cho­wa­nia symetrii; w tym przy­padku symetrii zwier­cia­dla­nej lub prze­strzen­nej P.

W kon­tek­ście oscy­la­cji materia-anty­ma­te­ria waż­niej­sza jest litera C wyra­ża­jąca symetrię ładunku elek­trycz­nego. Gdyby została docho­wana, teo­re­tycz­nie mogli­by­śmy zamienić wszyst­kie cząstki wewnątrz dowol­nego ciała na anty­cząstki o prze­ciw­nych ładun­kach – i nie zauwa­ży­li­by­śmy żadnej różnicy. Materię anty­czy­tel­nika tego tekstu budo­wa­łyby atomy złożone z ujemnie nała­do­wa­nych jąder oto­czo­nych przez pozytony, ale poza tym wszelkie procesy fizyczne, che­miczne i bio­lo­giczne w jego orga­ni­zmie funk­cjo­no­wa­łyby równie sku­tecz­nie co teraz.

Antymateria jest asymetryczna?

Ale czy tak jest w istocie? Czy anty­ma­te­rię wolno uważać za dosko­nałe odbicie kla­sycz­nej materii? Może to nie­któ­rych zdziwi, ale praw­do­po­dobna odpo­wiedź brzmi: nie. Pro­wa­dzone dotąd doświad­cze­nia, włą­cza­jąc w to ostatnie pomiary z CERN‑u, raz za razem potwier­dzają, że anty­cząstki ulegają rozpadom mini­mal­nie chętniej od swoich kon­wen­cjo­nal­nych odpo­wied­ni­ków. Anty­cząstka nie jest wyłącz­nie odwró­coną wersją, czy też “złym” bliź­nia­kiem danej cząstki.

Złamanie symetrii CP
Obecna wiedza o cząst­kach wskazuje, że zarówno symetria prze­strzenna jak i symetria ładun­kowa nie są w pełni zachowane.

Na pomniku symetrii CP widnieją zatem dwa poważne pęk­nię­cia. Ani symetria prze­strzenna, ani ładun­kowa samo­dziel­nie nie gwa­ran­tują wiernego odbicia. Nie należy jednak się tym zanadto martwić, bowiem bez tego zbez­czesz­cze­nia kosmicz­nego ładu, zapewne nie czy­ta­li­by­ście mojego tekstu. Być może obiło wam się o uszy, że zdaniem kosmo­lo­gów, na wczesnym etapie ewolucji wszech­świata, prze­strzeń wypeł­niały równe ilości cząstek i anty­czą­stek, które – logicz­nie rozu­mu­jąc – powinny ulec pełnej wza­jem­nej ani­hi­la­cji, pozo­sta­wia­jąc po sobie jedynie fotony i wielkie roz­cza­ro­wa­nie. Deli­katna asy­me­tria, która sprawia, że materia jest ciut sta­bil­niej­sza od swojego prze­ci­wień­stwa, być może stanowi przy­czynę naszego istnienia.

I tak docie­ramy do sedna, a nawet trochę dalej. Pomiary kaonów po raz pierwszy uzmy­sło­wiły naukow­com, że z symetrią CP coś nie gra; nato­miast badania kolej­nych mezonów potwier­dzają dalsze prze­wi­dy­wa­nia. Tym samym poprzez pozna­wa­nie wła­ści­wo­ści egzo­tycz­nych, nie­trwa­łych i eks­tre­mal­nie trudnych do uchwy­ce­nia cząstek dokonuje się postęp w rozu­mie­niu fun­da­men­tów funk­cjo­no­wa­nia całego wszechświata.

Powoli powin­ni­śmy wycze­ki­wać kolej­nego kroku. Skoro wiemy już, że pewne symetrie w przy­ro­dzie nie obo­wią­zują, pora poszukać odpo­wie­dzi na jeszcze głębsze pytanie: jaka jest przy­czyna takiego stanu rzeczy?

Literatura uzupełniająca:
Observation of the mass difference between neutral charm-meson eigenstates, [online: https://arxiv.org/pdf/2106.03744.pdf];
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż boska cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
A. Davis, Mixing it up, [online: quantumdiaries.org/2012/11/14/mixing-it-up];
F. Tanedo, The Birds and the Bs, [online: quantumdiaries.org/2011/07/22/the-birds-and-the-bs];
A. Lopes, LHCb measures tiny mass difference between particles, [online: home.cern/news/news/physics/lhcb-measures-tiny-mass-difference-between-particles].
[+]
Total
0
Shares
Inne teksty