Popularnonaukowe

Weź garść gluonów i ukulaj sobie cząstkę

Chiński akcelerator zidentyfikował mocnego kandydata na kulę gluonową: pierwszą cząstkę ulepioną wyłącznie z kwantowego kleju.

byAdam Adamczyk

19/05/2024

7 minute read

8 komentarzy

Kluczem do wyjaśnienia zjawiska uwięzienia kwarków jest samoprzylepność kolorowego kleju.
Frank Wilczek

Fotony z zasady nie zaczepiają innych fotonów. Chociaż są nośnikami oddziaływania elektromagnetycznego, same nie posiadają ładunku elektrycznego i pozostają w stosunku do siebie obojętne. To wyjątkowo niedoceniona cecha, bez której materia organizowałaby się w zupełnie inny sposób, a światło – będące jednym z przejawów promieniowania elektromagnetycznego – nie mogłoby tak skutecznie dostarczać naszym oczom informacji o otaczającym świecie.

Jednak natura posługuje się również innymi rodzajami oddziaływań, przenoszonymi przez cząstki o zgoła odmiennych właściwościach. Jednym z takich miniaturowych pośredników (po fizycznemu: bozonów cechowania) jest gluon, odpowiadający za integralność protonów i neutronów.

Pod maską protonu

Gdzieś w połowie ubiegłego stulecia, fizycy zorientowali się, że cząstki budujące jądra atomów, same w sobie także skrywają złożoną strukturę. Ostrzeliwując protony i neutrony mniejszymi elektronami, udało się “wymacać” w ich trzewiach trzy wyraźne zagęszczenia. Trzy mniejsze cząstki. Murray Gell-Mann z Caltechu, jeden z najgenialniejszych badaczy mikroświata (a także zdolny językoznawca-amator), nadał im sympatyczne miano kwarków.

W kolejnych latach ustalono, że istnieje co najmniej sześć rodzajów kwarków, choć akurat w jądrach atomów występują tylko dwa najlżejsze. Dwa kwarki górne i jeden dolny dają proton, natomiast układ dwóch kwarków dolnych z jednym górnym tworzy neutron.

Kwarkowa drużyna, czyli wszystkie kwarki opisane przez model standardowy. Na dobrą sprawę materię naszych ciał budują tylko kwarki górne i dolne (obecne w protonach i neutronach), ich ciężsi kuzyni tworzą nietrwałe struktury obserwowane głównie w warunkach laboratoryjnych.

Tym, co znacznie dłużej konsternowało naukowców, były wyjątkowo zażyłe relacje między kwarkami. Zauważono, że bez względu na to, ile byśmy się z nimi w laboratorium nie siłowali, nie pozwolą się od siebie odseparować. Ten typ cząstek bezwzględnie odmawia występów solo, dając koncerty wyłącznie w tercecie (wtedy mówimy o barionie) lub co najmniej duecie (taki układ nazywamy mezonem)^[1]W warunkach laboratoryjnych udaje się stworzyć również cięższe kompozycje, czyli tetra i pentakwarki. Oczywiście kompletnie nietrwałe.

Barion i mezon — Kwarki zawsze występują w towarzystwie innych kwarków. W przyrodzie są to trójkwarkowe bariony lub złożone z pary kwark-antykwark mezony. Najpospolitszym przykładem barionu jest proton, zawierający dwa kwarki górne i jeden dolny.

Fizyka zabezpiecza tę zasadę całkiem sprytnym mechanizmem. Mianowicie, nawet jeżeli przy pomocy brutalnej sile akceleratora uda nam się w końcu eksmitować kwark, to… obok niego natychmiast powstanie nowy towarzysz. Energia konieczna do wyrwania kwarka na zewnątrz jest na tyle duża, że z nawiązką wystarcza do wykreowania świeżej cząstki. Innymi słowy, nasze wysiłki zostaną wykorzystane przeciwko nam, a samotny kwark w razie potrzeby sam sobie stworzy partnera.

Oddziaływanie między kwarkami jest na tyle silne, że próba jego zerwania kończy się kreacją nowych cząstek. Tak jak anihilacja materii z antymaterią powoduje emisję energii, tak duża energia może posłużyć do stworzenia materii.

Olbrzymia trwałość kwarkowych więzów zaskakiwała, ponieważ w obrębie protonów i neutronów cząstki zdawały się śmigać całkiem swobodnie. Dopiero próba wyrzucenia któregoś z nich na zewnątrz, kończyła się zdecydowanym oporem nieznanej siły.

Dlaczego to dziwne? Pomyślcie o metalowej szpilce przyciąganej przez magnes, albo o jabłku spadającym na ziemię. Zarówno wpływy elektromagnetyzmu, jak i grawitacji maleją w miarę zwiększania odległości między ciałami. Oddziaływanie spajające kwarki zachowuje się zupełnie inaczej. Daje im wolność, kiedy pozostają blisko siebie, ale gwałtownie pociąga za łańcuch, kiedy cząstka wysunie się o biliardową część metra za daleko.

Oddziaływanie silne nie pozwala kwarkom opuścić swojego kwantowego więzienia.

Łańcuch ten nosi obecnie nazwę oddziaływania silnego, natomiast jego metaforyczne ogniwa to właśnie interesujące nas gluony. Całość spina chromodynamika kwantowa (QCD. Nie mylić z elektrodynamiką kwantową QED. Ta druga opisuje relacje między fotonami a elektronami) – jedna z najbardziej zaawansowanych teorii znanych współczesnej fizyce.

Siła koloru

Wybaczcie ten nagły wzrost natężenia terminologii, ale muszę dodać jeszcze jedno pojęcie: kolor. Nie ma on nic wspólnego z barwami, ani tym bardziej oznaczeniami kart do gry. W rozumieniu fizyków badających wnętrze atomu kolor to jedna z kilku liczb kwantowych, opisujących właściwości kwarków.

Kolor jest dla oddziaływania silnego mniej więcej tym, czym ładunek elektryczny dla elektromagnetyzmu. Istnieje jednak pewna istotna różnica. Ładunki elektryczne noszą tylko dwa przeciwstawne znaki, tradycyjnie oznaczane plusem i minusem. Kwarki natomiast – jak orzekł wielki Gell-Mann – musiały dysponować aż trzema różnymi odmianami ładunków (oraz trzema odpowiadającymi im antyładunkami, ponieważ w przyrodzie występują też antykwarki).

Idąc tym tropem, ktoś kreatywny wpadł więc na pomysł, aby zapożyczyć terminologię z malarstwa, gdzie występują trzy barwy podstawowe: czerwona, niebieska i zielona.

Każdy z kwarków wewnątrz barionu (np. protonu) nosi jeden z trzech kolorów. Antybarion (np. antyproton) byłby złożony z trzech antykwarków noszących odpowiednie antykolory. Z kolei wewnątrz mezonu, czyli w układzie kwark-antykwark, musi występować kolor i antykolor.

Rolę kwantowych pośredników roznoszących ładunek kolorowy, pełnią śmigające pomiędzy kwarkami gluony. Pod pewnymi względami są one dość podobne do fotonów: również nie posiadają masy i pozostają obojętne elektrycznie. Ich praca wydaje się jednak odrobinę bardziej skomplikowana. Otóż każdy gluon niesie na swoich barkach jednocześnie dwa ładunki: kolor i antykolor. Mamy więc gluony czerwono-antyniebieskie, zielono-antyczerwone, niebiesko-antyzielone i tak dalej.

Kwarki wewnątrz protonów i neutronów nieustannie przerzucają się gluonami, średnio co 10^-24 sekundy zmieniając swoje umaszczenie. Przykładowo kwark czerwony przeobraża się w niebieski, czemu towarzyszy emisja gluonu czerwono-antyniebieskiego. Ten może trafić w sąsiedni kwark niebieski, przekształcając go w czerwony, co również poskutkuje wyrzuceniem gluonu…

Kwark zmieniając kolor emituje gluon. Ten zawsze nosi przy sobie dwa ładunki: kolor i antykolor (w tym przypadku czerwony i antyniebieski).

Gluon zostaje zaabsorbowany przez drugi kwark, zmieniając jego kolor (tutaj: ładunek antyniebieski “pochłania” niebieski, a kwark przyjmuje kolor czerwony).

Chromodynamika kwantowa to jedna wielka zabawa w wymianę kolorów. Celem gry jest utrzymanie równowagi, tak aby w dowolnym momencie każdy z trzech kwarków posiadał inny kolor, dzięki czemu proton lub neutron pozostanie biały jako całość.

To się klei!

Wszystko, o czym powiedzieliśmy, prowadzi nas do wniosku, że gluony nie tylko pośredniczą w oddziaływaniu silnym, ale także powinny oddziaływać silnie same ze sobą. Pomyślcie o tym, że kiedy elektromagnetyzm odpycha lub przyciąga do siebie obiekty, nie prowadzi do zmiany ich właściwości. Elektron nie wywraca nagle swojego znaku na plus, a proton na minus, koegzystując wspólnie wewnątrz atomu.

W pewnym sensie foton działa jak listonosz, przekazujący naładowanym elektrycznie cząstkom tylko informację na temat tego, jak powinny się w stosunku do siebie zachowywać. Gluon natomiast to bardziej tragarz dostarczający, odbierający i przenoszący paczki zawierające “namacalny” ładunek kolorowy. A skoro faktycznie dźwigają ze sobą kolor, to same pozostają wrażliwe na obecność oddziaływania silnego, w którym pośredniczą.

Możemy też spojrzeć na temat przez pryzmat kwantowej teorii pola, bo tak jak foton pozostaje kwantem pola elektromagnetycznego, tak gluon jest kwantem pola sił kolorowych. Gdybyśmy spróbowali zwizualizować to pole za pomocą linii, zauważylibyśmy, że nie układają się one równomiernie w przestrzeni wokół cząstki. Oddziałujące na siebie gluony skupiają się w coś na kształt taśmy czy rurki, rozciągniętej pomiędzy kwarkami. Można ją naciągnąć, jednak wymaga to energii – tym większej, im większa odległość.

Porównanie linii sił w oddziaływaniu silnym (na górze) i elektromagnetycznym (na dole). Próba oddalenia kwarków prowadzi do ciaśniejszego zwarcia szyków wśród gluonów, w związku z czym oddziaływanie tylko przybiera na sile.

W praktyce oddziaływanie silne łączy kwarki w sposób trwały, ale i elastyczny. Jak klej, albo gumka recepturka.

Grudka kwantowego kleju

No dobrze, ale skoro gluony przyklejają się również do siebie, to czy mogłyby samodzielnie uformować cząstkę? Bez żadnych kwarków. Mówimy o kulce ulepionej wyłącznie z kwantowego kleju.

Teoretycy zadali sobie to pytanie już dawno temu i doszli do wniosku, że jeśli nasze rozumienie QCD, ładunków kolorowych i kwantowej teorii pola są poprawne, odpowiedź powinna być pozytywna. Z czasem te hipotetyczne stany związane gluonów zaczęto określać mianem gluonium albo glueball, czyli kul gluonowych.

Wojny teoretyków

Kto by pomyślał, że chromodynamika kwantowa może wzbudzać agresję? Studiując temat, trafiłem przypadkiem na jakąś starą notkę na blogu Petera Woita. Sam wpis nie zawierał niczego ciekawego, za to schodząc do sekcji komentarzy, trafiłem na… pole bitwy pomiędzy badaczami QCD i zwolennikami teorii strun. Wspominam o tym dlatego, że pomijając urocze przekomarzania o to, kto ma więcej cytowań i kto zajmuje się poważniejszym zagadnieniem, padło tam również kilka interesujących spostrzeżeń na temat poszukiwań kul gluonowych. Czeski fizyk Luboš Motl stwierdził wręcz, że kule są dla niego “najbardziej nieciekawym, pozbawionym struktury, anonimowym i nieobliczalnym stanem, jaki można uzyskać w teorii cechowania. Ilekroć w opisie teorii napotkasz takie nudne cząstki, możesz nazwać je kulkami kleju”. Zachęcam do lektury całej dyskusji, zwłaszcza jeśli chcecie poznać inne punkty widzenia (i zobaczyć awanturę w stylu akademickim).

Intuicja została poparta liczbami w końcówce ubiegłego stulecia, kiedy moc obliczeniowa komputerów stała się wreszcie na tyle duża, aby udźwignąć potworną złożoność QCD^[2]Na nasze potrzeby skupiliśmy się na najprostszym modelu, gdzie mamy trzy kwarki i garść gluonów. W kwantowej rzeczywistości każdy barion to dynamiczna struktura, kipiąca od energii i cząstek wirtualnych.. Co najważniejsze, potwierdzono, że najlżejszy wariant kuli mieści się w przedziale masy od 2,3 do 2,6 GeV (co później uściślono do 2,395 GeV), a tym samym znajduje się on w zasięgu energii współczesnych akceleratorów. Poza tym cząstka miała być neutralna elektrycznie, mieć zerowy spin i rzecz jasna pozostawać biała pod względem ładunku kolorowego.

f0(1710) i X(2370)

Sporządzenie rysopisu poszukiwanego to jedno, schwytanie i identyfikacja, to co innego. Cały czas poruszamy się po terytorium mikroświata, gdzie cząstki znikają błyskawicznie i na wiele sposobów. Często jedynym, co możemy zrobić, jest oszacowanie szans na wystąpienie poszczególnych kanałów rozpadu, a następnie dopasowywanie rejestrowanych wyników do prognozowanych modeli (tzw. współczynnik rozgałęzień). To nie lada wyzwanie, zwłaszcza gdy w wybranym obszarze energii powstaje dużo produktów o zbliżonej charakterystyce.

Na tę chwilę fizycy zidentyfikowali dwie poważne kandydatki na kule gluonowe.

Na ślady pierwszej, noszącej oznaczenie f0(1710), natrafiono podczas doświadczeń w CERN-ie już dekadę temu. Profil cząstki z grubsza odpowiadał prognozom opartym o QCD, jednak zdaniem sceptyków uchwycony sygnał (zawierający piony, kaony i mezony eta) równie dobrze mógł pochodzić z rozpadu egzotycznego związku kwarków i antykwarków. Mimo długiej debaty na łamach renomowanych czasopism spór o naturę f0(1710) nie znalazł rozstrzygnięcia.

Drugiego pretendenta wyłoniono dopiero niedawno, za sprawą eksperymentu BES III (Beijing Spectrometer III). Chińczycy skoncentrowali się na monitorowaniu zdarzeń z udziałem czarmonium (mezonu J/ψ). To jeszcze jeden z przedstawicieli licznej, acz ulotnej rodzinki mezonów, chowający w sobie parę kwark-antykwark powabny (stąd nazwa, od angielskiego charm). Czarmonium ginie średnio po 10^-21 sekundy, w większości przypadków wyrzucając z siebie różne konfiguracje fotonów i gluonów – co daje wymarzone środowisko do polowań na kule gluonowe.

Chiński akcelerator BEPC II — Eksperyment BES III wykorzystuje 240-metrowy pekiński zderzacz elektronów i pozytonów BEPC II.

W ciągu szesnastu lat pekińska placówka zgromadziła pokaźny zbiór danych o 10 miliardach rozpadów. Duża liczba zarejestrowanych zdarzeń była kluczowa, ponieważ badaczy interesował bardzo specyficzny kanał rozpadu. W dziewięciu rozpadach na dziesięć czarmonium wyrzuca z siebie foton oraz parę gluonów, przy czym tylko w jednym przypadku na sto tysięcy uwolnionym gluonom udaje się utworzyć stan związany. Również tylko na chwilkę, po czym taki twór natychmiast znika, zostawiając po sobie mezony (zwykle mezon eta’ oraz f0(980) spokrewniony z kaonem).

Rzadki kanał rozpadu czarmonium, któremu towarzyszy (prawdopodobnie) powstanie kuli gluonowej).

Ten krótkotrwały byt, figurujący w publikacjach jako X(2370), to właśnie nasza potencjalna kulka. Fizycy zarejestrowali ją po raz pierwszy już kilka lat temu – w obszarze energii 2,395 GeV – dokładnie tam, gdzie przewidywała teoria. Jednak dopiero niedawno zgromadzono dość pomiarów, aby z należytą dokładnością ustalić, że wszystkie liczby kwantowe pasują do rysopisu.

Wydaje się, że X(2370) ma wszystko, aby uznać ją za pierwszą wykrytą w laboratorium kulę gluonową, a tym samym za pierwszą poznaną cząstkę, ulepioną wyłącznie z bozonów cechowania. Jednocześnie jest to kolejne istotne potwierdzenie założeń modelu standardowego, który – pomimo rosnącej sterty kłopotów i wątpliwości – wciąż uparcie trzyma się życia.