Kwark i antykwark

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 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. Praw­do­po­dob­nie rzuciło wam się już w oczy, że w pierw­szym przy­padku cząstki są w stanie ze sobą wytrzy­mać stu­mi­lio­nową część sekundy, zaś w drugim zaledwie stu­bi­liar­dową. Oczy­wi­ście z naszego punktu widzenia to prawie jedno i to samo. Oba odcinki czasu są 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 naszego gatunku.

O tym, że zachodzi ani­hi­la­cja, świadczą 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 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.

[+]
Total
0
Shares
Inne teksty