Tam i z powrotem. Mezonowe oscylacje i asymetria stworzenia

Niezwykle staranne pomiary brytyjskich fizyków współpracujących z CERN-em dowiodły, że mezony D⁰ złożone z par kwark powabny-antykwark górny (oznaczane też jako kwarki c od słowa charm i kwarki u od up) 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

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]Powodem jest dziw znany jako swoboda asymptotyczna, o której możesz poczytać w artykule Kwarki, czyli kwantowi więźniowie. 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).

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 powabny-antykwark górny. 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]Pozostaje jeszcze pokrewna kwestia oscylacji neutrin, choć akurat w tym przypadku zmianie nie ulega ładunek elektryczny, lecz inna liczba kwantowa określana jako “zapach”. Badania w tym temacie doczekały się nawet Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki., 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]Zgodnie z konwencją antycząstki oznacza się poziomą kreską nad literą, ale WordPress nie przepuszcza odpowiedniego symbolu.. 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.

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]Czego dokonała wielka chińska uczona Chien-Shiung Wu, na podstawie teorii opracowanej przez Chen-Ning Yanga oraz Tsung-Dao Lee., 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.

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].