Popularnonaukowe

Kwark wysoki – słoń w składzie cząstek elementarnych

Zdecydowanie najcięższa cegła modelu standardowego wciąż pomaga fizykom w badaniu mikroświata.

30/09/2024

4 minute read

Musisz mieć jaja z niobu, jeśli chcesz usidlić kwarki.
Studenci Uniwersytetu Stanforda*

Chyba najbardziej specyficzną cechą wszystkich kwarków jest ich absolutna niechęć do pokazywania się w pojedynkę. Nie zliczyłbym, ile razy sam przypominałem w różnych tekstach o tym, że w naturze nie spotkamy czegoś takiego, jak osamotniony kwark. Możemy zarejestrować pojedynczy elektron, neutrino czy foton, ale kwarki występują zawsze w parach (nazywanych mezonami) albo trypletach (czyli barionach).

Bez obaw, nie zamierzam nagle odszczekiwać wszystkiego, co tyle razy powtarzałem. Kwarki naprawdę nie znoszą samotności i rzeczywiście nie potrafimy ich wyizololować.

Jednakże jeden z sześciu poznanych typów kwarków – odkryty najpóźniej i zdecydowanie najmasywniejszy – w sprytny sposób oszukuje system. Figuruje on pod różnymi nazwami. Jedni określają go kwarkiem wysokim lub szczytowym (ang. top), inni kwarkiem prawdziwym (ang. truth), a formaliści po prostu kwarkiem t.

Fenomen kwarka wysokiego pozostaje związany z jego masą, bo ta jest wręcz absurdalnie duża.

Masa na poziomie 173,2 GeV oznacza, że mamy do czynienia nie tylko z rekordzistą w rodzinie kwarków, ale w ogóle z najbardziej opasłą cząstką elementarną ujętą w całym modelu standardowym. A jeżeli wartość wyrażona w elektronowoltach niewiele wam mówi, ujmę to inaczej. Kwark wysoki jest:

340 000 razy masywniejszy od elektronu,
75 000 razy masywniejszy od kwarka górnego (współtworzącego protony i neutrony),
185 razy masywniejszy od kompletnego protonu,
40 razy masywniejszy od kwarka niskiego (drugiego na podium).

Jeśli to nie robi na was wrażenia, to dodam jeszcze, że masa atomu złota wynosi 181 GeV. Innymi słowy ten jeden kwark z grubsza (nomen omen) odpowiada masie całego atomu dość ciężkiego metalu. Prawdziwe monstrum mikroświata.

Dlaczego masa cząstki jest interesująca i uprawiamy ten fizyczny fat–shaming? Żeby to zrozumieć, musimy przypomnieć sobie powód, dla którego dobrze wychowane kwarki nie pokazują się bez towarzystwa.

Barion i mezon — Kwarki pozostają uwięzione w mezonach lub barionach za sprawą oddziaływania silnego. Takimi barionami są protony i neutrony w jądrach atomów, stanowiące kombinacje kwarków górnych (u) i dolnych (d).

Tym, co zlepia kwarki wewnątrz hadronów (tj. mezonów lub barionów) jest oddziaływanie silne, przenoszone przez gluony. Działa ono wyłącznie na dystansie biliardowych części metra, ale nie wolno go lekceważyć. Zgodnie z nazwą, stanowi najsilniejsze spoiwo znane naturze (stukrotnie silniejsze od elektromagnetyzmu, podobno przebija nawet wspólny kredyt mieszkaniowy).

Czy tak trwały klej można zerwać? O dziwo, przy odrobinie wysiłku owszem – tyle, że nic nam to nie da. Nawet jeżeli użyjemy bardzo dużej energii i pokonamy oddziaływanie silne, wyrywając cząstkę, zawstydzony kwark prawie natychmiast wykorzysta tę energię do… wykreowania sobie nowego partnera. Właśnie przez ten mechanizm, określany hadronizacją, co do zasady kwarki nigdy nie egzystują samotnie.

Magiczna sztuczka: z jednego hadronu tworzą się dwa.

Istnieje jednak haczyk. Napisałem, że hadronizacja następuje prawie natychmiast. Przez “prawie” rozumiem 10^-24 sekundy, czyli jedną kwadrylionową część sekundy. Jeżeli naszemu kwarkowi stałoby się coś przed upływem tego śmiesznie krótkiego odcinka czasu, mógłby on nie zdążyć ze stworzeniem sobie partnera.

Wróćmy teraz do kwarków wysokich. Produkujemy je w akceleratorach, doprowadzając do wysokoenergetycznych zderzeń protonów. Jeśli w czasie takiej kraksy dojdzie do rozkwaszenia zagnieżdżonych w protonach gluonów, istnieje szansa na powstanie pary kwark wysoki-antykwark wysoki. (Nawiasem mówiąc, przed uruchomieniem LHC tylko amerykański Fermilab dysponował dostatecznie potężnym sprzętem i to tam w 1995 roku po raz pierwszy zaobserwowano ten proces). Utworzone kwarki przez wzgląd na swoją ociężałość pozostają jednak kompletnie niestabilne. Tak bardzo, że giną już po 10^-25 sekundy, pozostawiając po sobie (najczęściej) kwarki niskie oraz bozony W, rozkładające się później na kolejne drobiny.

Powtórzmy: 10^-25 sekundy, zatem dziesięć razy szybciej niż trwa hadronizacja. Kwark wysoki może i chciałby utworzyć szczęśliwy związek, ale brakuje mu na to czasu – rodzi się i umiera samotnie. Fizycy określają ten stan pseudonagim.

Mimo to, że kwarki wysokie znikają ze świata niemal od razu, umożliwiają robienie rzeczy, na które nie pozwoliłby żaden z ich skrępowanych kuzynów. Weźmy na ten przykład niedawne badanie fizyków z CERN-u. Zderzając ze sobą wiązki protonów, dokonali oni pierwszej obserwacji splątania kwantowego w warunkach wysokiej energii, a przy okazji pierwszej obserwacji splątania między kwarkami (oczywiście wysokimi). Nie musieli widzieć samych kwarków, ponieważ na szczęście dla badaczy, fizyka gwarantuje zachowanie określonych wielkości. Wystarczy więc zarejestrować produkty rozpadów, aby na podstawie niesionych przez nie liczb kwantowych zrekonstruować obraz rozbitego dzbanka.

W artykule z września tego roku naukowcy obsługujący detektory ATLAS i CMS pierwszy raz opisali splątanie spinów dwóch kwarków wyprodukowanych podczas kolizji w LHC.

A to tylko jedna z setek, o ile nie tysięcy publikacji z kwarkami wysokimi w rolach głównych. Być może nie zdajecie sobie z tego sprawy, ale miały one swoje “pięć minut” nawet przy okazji pionierskiej detekcji bozonu Higgsa w 2012 roku. Mówiąc, że mamy do czynienia z najmasywniejszą cząstką elementarną, stwierdzamy jednocześnie, że jest to cząstka najmocniej sprzężona z polem Higgsa. Idąc tym tropem, to właśnie kanały rozpadu z gościnnym udziałem kwarków wysokich były tymi, w których dostrzeżono ślady “boskiej cząstki”.

To oczywiście nie wszystko. Właściwości kwarka wysokiego sprawiają, że wchodzi on w interakcje z każdym oddziaływaniem i każdym polem. Posiada ładunek elektryczny, ładunek kolorowy (przenoszony przez gluony), ładunek słaby (rozpada się za pośrednictwem bozonów W lub Z) jak również – powtórzmy – jest szczególnie wrażliwy na pole Higgsa. Z tego powodu kwark wysoki pozostaje ulubieńcem fizyków wysokich energii.

Stanowi on uniwersalną i jedyną w swoim rodzaju sondę, pozwalającą na eksplorowanie najgłębszych zakamarków modelu standardowego.