Kwarki – o cząsteczkach które naprawiły fizykę

Głównym celem fizyków jest znaleźć proste odpowiedzi na trudne pytania, ale 60 lat temu fizyka cząstek nie była prosta. Istniały tuziny cząstek subatomowych i wszystkie zdawały się trzymać innych reguł i nikt nie wiedział w jaki sposób to usystematyzować. Na szczęście fizycy znaleźli powód i wyjaśnienie wszystkiego: kwarki. Z chaosu w końcu wyłonił się porządek. 50 lat później wszechświat bez kwarków nie ma sensu.

Początkowo, kwarki pomogły nam zrozumieć nawał odkryć związanych z fizyką cząstek dokonanych po II Wojnie Światowej. Natomiast nasza wiedza o cząstkach zaczyna się dużo wcześniej - w starożytności. Już wtedy teoretyzowano o podzielności atomów, choć powszechnie uważano, że jest on cząsteczką niepodzielną; podstawowym budulcem wszechświata.

Co wiedzieliśmy o cząstkach?

Przed wojną fizycy wiedzieli o budulcowych cząstkach subatomowych takich jak protony, czy elektrony. Wiedzieli również, że cząstki czasem się rozpadały. Część z tych budulców mogła zmienić się w inne cząstki, choć nie do końca wiedziano jakie zasady rządzą tym zjawiskiem.

Ogólnie rzecz biorąc, zdawało się że nie ma zbyt wielu cząstek elementarnych. Świat był raczej prosty. Ale ludzie zaczęli eksperymentować, zderzać ze sobą cząstki, aby sprawdzić co się stanie. W 1950 roku lista znanych cząstek elementarnych powiększyła się o piony, kaony i sigmy. Co więcej, nowe dołączały do nich praktycznie bez przerwy.

Po pewnym czasie ich ilość okazała się ogromna i nikt nie wiedział skąd się wzięły ani jak można je połączyć z lepiej znanymi cząstkami. W latach '50 fizycy zaczęli dostrzegać w nich swego rodzaju porządek. Zdali sobie sprawę, że nowe cząstki bardziej przypominają protony i neutrony, niż elektrony i fotony. Zauważyli również, że cząstki nie pojawiały się w sposób losowy. Były między nimi powiązania - choć nie wiedzieli dokładnie jakie.

Sposoby grupowania cząstek

Po odkryciu pionów znaleźli cząstkę, która zachowywała się podobnie do niego, ale miała przeciwny ładunek elektryczny. Następnie odkryli taką, która zachowywała się podobnie do obu powyższych, ale nie miała żadnego ładunku. Fizycy podzielili je na grupy naładowanych pozytywnie, negatywnie oraz neutralnych pionów.

W międzyczasie okazało się, że inne cząstki. Niektóre z nich, np. kaony podążały dziwną ścieżką w akceleratorze. Naukowcy stwierdzili więc, że kaon ma cechę określoną jako „dziwność” - nie żartuję, tak ją nazwali. Postanowili pogrupować cząstki na te posiadające dziwność i te bez niej. Istniały różne inne sposoby grupowania cząstek. Różni naukowcy uważali inne cząstki za ważniejsze.

W 1961 roku, fizyk imieniem Murray Gell-Mann pomógł fizyce wziąć krok naprzód. Znalazł sposób na pogrupowanie cząstek, który w naturalny sposób zawierał w sobie inne sposoby, jakich naukowcy używali w poprzedniej dekadzie.

Ośmioraka ścieżka

Jego grupy miały zróżnicowaną wielkość, ale większość z nich zawierała osiem cząstek. Gell-Mann nazwał swój pomysł „Ośmioraką ścieżką” po buddyjskiej ścieżce do oświecenia. Mimo to, część jego grup była niekompletna. Na przykład, według ośmiorakiej ścieżki, jeśli pogrupujesz cząstki po dziwności, powinna ona zawierać dziesięć cząstek. Fizycy odkryli dziesiątą cząstkę dopiero w 1964r, na kilka lat po tym, jak Gall-Mann to przewidział.

To był dobry znak. Kiedy już odkryli Barion Omega-minus, wszyscy wiedzieli, że pomysł Gall-Manna miał potencjał.

Kwarki

Chwilę później, w 1964r, Gell-Mann i dwóch innych fizyków – George Zweig i Andre Petermann niezależnie od siebie wpadli na to samo wyjaśnienie sukcesu ośmiorakiej ścieżki: każda z cząstek sama była stworzona z jeszcze mniejszych, niepodzielnych kawałków. Petermann chciał je nazwać „spindorsami” a Zweig „asami”, ale Gell-Mann miał talent do nazywania rzeczy i jego nazwa została przyjęta ogólnie: kwarki.

Łącząc ze sobą trzy typy kwarków (zwanych „górny (u)”, „dolny (d)” oraz „dziwny (s)”) w zbiory dwóch lub trzech (oraz antymaterii) mogłeś stworzyć wszystkie cząstki zaobserwowane przez fizyków w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Jedynym wyjątkiem były cząstki znajdujące się w tej samej rodzinie co elektrony, ale one mają swój własny model. Poza tym, w tamtym czasie było ich tylko kilka.

Trzeba jednak przyznać, że model kwarkowy miał kilka dziwnych cech. W przeciwieństwie do wszystkich innych zaobserwowanych cząstek, kwarki nie miały ładunku elektrycznego który byłby liczbą całkowitą pomnożoną przez ładunek elektronu. Zamiast tego posiadały ładunek ułamkowy. Było to albo -1/3, albo +2/3. Wszyscy naukowcy uważali to za bardzo dziwne. Nigdy wcześniej nie spotkali się z podobną cząstką.

Dziwne kwarki

Był powód dla którego nigdy wcześniej nie spotkali się z częściowymi ładunkami. W ciągu kolejnej dekady naukowcy uświadomili sobie, że nigdy nie zaobserwowali samotnego kwarka. Kwarki zawsze pojawiały się w grupach składających się z dwóch lub więcej cząstek, ponieważ ilość energii pomiędzy nimi była zbyt duża, by pozwolić im się od siebie odsunąć.

Podobnie do ośmiorakiej ścieżki, model kwarka został przyjęty, ponieważ działał: był prostym wyjaśnieniem dla skomplikowanych tajemnic. Wyjaśniła w jaki sposób neutrony – które nie mają ładunku – w niektórych przypadkach zachowują się, jakby go posiadały. Są zrobione z dwóch dolnych i jednego górnego kwarka, a każdy z nich ma ładunek.

To wyjaśniało również dziwność: cząstki posiadające dziwność, miały w sobie dziwne kwarki. Teoria została potwierdzona w 1968r oraz 1974r, kiedy dwa niezależne eksperymenty okazały się mieć takie same wyniki.

W 1968 eksperymenty przeprowadzone na akceleratorze w Stanford polegające na zderzaniu elektronów i protonów pokazały, że sposób w jaki się od siebie odbijają ma sens tylko jeśli protony są zrobione z mniejszych cząstek, jak kwarki. Protony okazały się nie być niepodzielnymi kulami energii, jak dotąd sądzono.

Następnie w 1974 roku eksperymenty w dwóch innych laboratoriach ujawniły coś nowego. Nową cząstkę, która nie mogła istnieć w modelu trójkwarkowym. To byłaby katastrofa, gdyby nie fakt, że fizycy już wtedy zmienili oryginalny model, aby uwzględnić teoretycznie istniejącego czwartego kwarka zwanego „powabnym (c)”.

Więcej kwarków?

Dzisiaj wiemy o istnieniu dwóch dodatkowych kwarków – niskiego i wysokiego. Najpierw zostały one nazwane „prawda (t)” i „piękno (b)”, ale ktoś postanowił to zmienić. Są powody by myśleć, że nie ma ich więcej. Nasz wszechświat ma sześć kwarków i nie więcej.

Wiedząc o kwarkach, kilku łączących je siłach oraz o kilku innych ciekawych cząstkach – będących kuzynami elektronów – jesteśmy w stanie wiele się dowiedzieć. Możemy zrozumieć zachowanie setek a nawet tysięcy różnych cząstek, które cały czas są tworzone w akceleratorach.

I jest to swego rodzaju prostota, do jakiej dążą fizycy.