Dlaczego kwark i antykwark nie anihilują?

W skrócie. Do anihilacji i wzajemnego unicestwienia dochodzi wyłącznie podczas spotkania cząstki z jej własną antycząstką. W tym przypadku anihilacja wchodzi w grę, jeśli kwark zostanie skonfrontowany z antykwarkiem tego samego rodzaju (zapachu). I rzeczywiście, mezony zawierające tożsamą parę kwark-antykwark giną w przeciągu bilionowych lub biliardowych części sekundy zmieniając się w fotony.

Przykłady elektronu i pozytonu uczą nas, że wystarczy, żeby cząstka wpadła na swoją antycząstkę, aby doszło do anihilacji w miniaturowym błysku światła. Ale czy podobny efekt dotyczy również innych cegiełek materii? Czy anihilują również kwarki?

Dezorientację budzą przede wszystkim doniesienia z CERN-u oraz innych ośrodków, informujące o kolejnych badaniach nad mezonami, czyli strukturami zbudowanymi z par… kwark-antykwark. Par, które podobnie do kłótliwego małżeństwa prawników, na pierwszy rzut oka powinny ulec samozniszczeniu. Aby zrozumieć, dlaczego natura pozwala na powstanie takiego dziwadła (i czy w ogóle pozwala), musimy najpierw dowiedzieć się kilku rzeczy na temat samych kwarków i mezonów.

Przede wszystkim, fizyka wyróżnia sześć typów (zapachów) kwarków: kwark górny u, powabny c, wysoki t, dolny d, dziwny s i niski b. To kluczowy fakt, ponieważ anihilacja wchodzi w grę jedynie w przypadku cząstki i jej wiernego antymaterialnego odbicia. Jest możliwa, kiedy oba obiekty mają przeciwny ładunek elektryczny, ale wszystkie inne charakteryzujące je liczby kwantowe pozostają tożsame. Dlatego elektronowi grozi zniszczenie tylko i wyłącznie przy kontakcie z pozytonem.

Jeżeli więc w ogóle chcemy brać pod uwagę anihilację kwark-antykwark, muszą być to pary tego samego typu. Kwark górny nie ulegnie anihilacji przy spotkaniu kwarka dolnego lub kwarka powabnego, mimo przeciwnego ładunku elektrycznego^[1]Taka anihilacja byłaby niemożliwa, tym bardziej że ładunki tych kwarków nie są “równe”. Kwark górny, powabny i wysoki dysponują ładunkiem +2/3, natomiast dolny, dziwny i niski -1/3. Taka anihilacja oznaczałaby wyparowanie części ładunku, co rozgniewałoby Matkę Naturę i rozwaliło wszechświat., natomiast powinien uważać na antykwark górny.

Ale to nadal nie rozwiązuje wszystkich wątpliwości, ponieważ czytając o fizyce wysokich energii trafimy zarówno na mezony mieszane (jak kaon K⁺ kryjący w sobie kwark górny i antykwark dziwny), jak i tożsame (jak pion π⁰ zawierający kwark niski i antykwark niski) – określane czasem mianem kwarkonium.

Dlaczego więc takie kombinacje nie chcą anihilować? Cóż, tak naprawdę chcą i jak najbardziej anihilują. Spójrzmy na dwa spokrewnione ze sobą piony (mezony π):

W wariancie naładowanym pion tworzą kwark i antykwark o różnych zapachach, w obojętnym natomiast mamy do czynienia z kwantową mieszaniną par tego samego rodzaju. Przyglądając się tabelce powinny rzucić wam się w oczy wyraźne różnice dotyczące czasu rozpadu. W pierwszym przypadku cząstki są w stanie ze sobą wytrzymać stumilionową część sekundy, zaś w drugim zaledwie stubiliardową. Oczywiście z naszego punktu oba odcinki czasu wydają się absurdalnie krótkie i oznaczają tyle co “natychmiast”. Jednak w skali mikroświata różnica jest równie kolosalna, co zestawienie jednej doby z okresem jaki upłynął od momentu wyewoluowania gatunku ludzkiego.

O tym, że zachodzi anihilacja, świadczą jednak przede wszystkim produkty rozpadu. Z naładowanego pionu wyskakuje zwykle antymion oraz neutrino mionowe, ale już neutralny pion znika z wyzwoleniem fotonów. Kwark górny i antykwark górny nie odbiegają więc pod tym względem swoim zachowaniem od klasycznej, anihilującej pary elektron-pozyton.

Nawiasem mówiąc, tę analogię można rozciągnąć jeszcze dalej. Okazuje się mianowicie, że nawet w przypadku elektronu i jego antycząstki, anihilacja nie musi być wcale tak natychmiastowym procesem jak się na ogół wydaje. Fizyka przewiduje, że obie drobiny potrafią stworzyć wspólny układ (nazywany pozytonium) i w korzystnych warunkach utrzymać go nawet kilkaset nanosekund. Patrząc od tej strony, para elektron-pozyton potrafi więc być trwalsza od niejednego mezonu!

Oczywiście z uwagi na swoją różnorodność oraz dodatkowe własności, interakcje kwarków bywają naprawdę złożone i od dawna przyprawiają fizyków o ból głowy^[2]W odróżnieniu od elektronów kwarki wpływają na siebie nie tylko elektromagnetycznie, ale również przez ładunek kolorowy, gmatwający wszystkie procesy. Dlatego przy niektórych rozpadach obok lub zamiast fotonów wyrzucane są inne bezmasowe cząstki nazywane gluonami.. Jednak, co do zasady, kwarki pozostają jak najbardziej zdolne do anihilacji i nie ma żadnego mechanizmu, który by je przed tym uchronił.