Dlaczego kwark i antykwark nie anihilują?

Jacek i Piotr zadali pytanie: W jaki sposób mezony mogą w ogóle istnieć? Przecież są zbudowane z kwarków i antykwarków, dlaczego więc takie pary cząstek natychmiast 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.

Kaon, czarmonium i pion
Przykłady różnych mezonów, od lewej: kaon K, czarmonium J/ψ, pion π.

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], 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):

mezonskładczas życia
mezon π+kwark górny-antykwark dolny2,6 x 10−8s
mezon π0kwark-antykwark górny / kwark-antykwark dolny8,5 x 10−17s

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.

Rozpady mezonów pi oraz anihilacja kwarków
Porównanie rozpadów mezonu π+ oraz π0. W pierwszym przypadku kwarki o różnych zapachach giną emitując antymion oraz neutrino mionowe (w grę wchodzi oddziaływanie słabe, więc w procesie pośredniczy wirtualny bozon W+). Poniżej dochodzi do anihilacji kwarka wysokiego z jego antycząstką w wyniku czego emitowane są dwa fotony. Istnieje szansa, że zostanie z nich wykreowana para innych cząstek, np. 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]. Jednak, co do zasady, kwarki pozostają jak najbardziej zdolne do anihilacji i nie ma żadnego mechanizmu, który by je przed tym uchronił.

[+]
Jak światło może rozproszyć światło? Czy układ gwiazd na niebie jest niezmienny? Co leży poza wszechświatem obserwowalnym?