Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
ODDZIAŁYWANIE
ELEKTRYCZNE

Cząstki wirtualne
Osobisty magnetyzm
mionu

ODDZIAŁYWANIE
SŁABE

Lekko złamana
symetria, czyli skąd
się wzięliśmy

Polowanie na małe
neutralne

Wybuchowe równanie
Zbrodnicza spółka
i dwuneutrinowy
eksperyment

Brazylijskie zadłużenie
krótkie spódniczki
i vice versa

ODDZIAŁYWANIE
SILNE

Wołania kwarków
Zasady zachowania
Niobowe jaja
„Rutherford” wraca
Rewolucja
Listopadowa

Poszukiwanie
wybrzuszeń

Skąd to całe
zamieszanie (i trochę
kwaśnych winogron)

Nagi powab
Trzecia generacja
JESZCZE O
ODDZIAŁYWANIU
SŁABYM

Pora
na przyspieszenie
oddechu

Znalezienie zet zero
JESZCZE
O ODDZIAŁYWANIU
SILNYM: GLUONY

Koniec drogi
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Wołania kwarków
 
Wołania kwarków
 
U
kład hadronów uporządkowanych według rozmaitych liczb kwantowych także domagał się przyjęcia hipotezy, że mamy do czynienia z  jakąś substrukturą. Jednak nie tak łatwo usłyszeć wołania subjądrowych cząstek. Udało się to dwóm fizykom o  znakomicie wyostrzonym słuchu i  napisali o  tym. Gell-Mann zaproponował istnienie czegoś, co nazwał strukturami matematycznymi. W  roku 1964 pisał, że układ hadronów da się wyjaśnić za pomocą trzech „tworów logicznych”. Nazwał je kwarkami. Powszechnie przyjmuje się, że znalazł to słowo w  diabolicznej powieści Jamesa Joyce'a  Finnegans Wake (w  zdaniu: Three quarks for Muster Mark!). George Zweig miał identyczny pomysł, gdy pracował w  CERN. On nazwał swoje trzy twory asami.
       Prawdopodobnie nigdy nie dowiemy się, jak doszło do narodzin tego wspaniałego pomysłu. Znam jedną z  wersji tej historii, bo byłem na miejscu: na  Uniwersytecie Columbia w  roku 1963. Gell-Mann mówił na seminarium o  swojej Ośmiokrotnej Ścieżce symetrii hadronów, gdy teoretyk z  tej uczelni, Robert Serber, zauważył, że możliwym wytłumaczeniem ósemkowego porządku byłoby istnienie trzech podjednostek. Gell-Mann zgodził się z  tym, ale zaznaczył, że jeśli te podjednostki miałyby być cząstkami, to musiałyby mieć niesłychaną własność: ułamkowy ładunek elektryczny, czyli 1/3, 2/3, –1/3 i  tak dalej.
       W  świecie cząstek wszystkie ładunki elektryczne mierzone są w  jednostkach ładunku elektronu. Ładunek każdego elektronu równa się dokładnie 1,602193 × 10–19 kulomba. Mniejsza o  to, co to takiego ten kulomb. Zapamiętaj tylko, drogi Czytelniku, że używamy tej skomplikowanej liczby jako jednostki, która wyraża ładunek elektronu. Tak się szczęśliwie składa, że w  tych jednostkach ładunek protonu także wynosi jeden (1,0000), podobnie ładunek naładowanego pionu, mionu (tu precyzja pomiaru jest jeszcze większa) i  tak dalej. A  zatem w  przyrodzie ładunki występują w  postaci liczb całkowitych: 0,  1, 2... Rozumie się przez to, że ładunki te są wielokrotnościami wyżej podanej liczby kulombów. Ładunki występują także w  dwóch odmianach: dodatniej i  ujemnej. Nie wiemy dlaczego, ale tak właśnie jest. Można by wyobrazić sobie świat, w  którym elektron wskutek szczególnie gwałtownego zderzenia lub podczas gry w  pokera straciłby 12 procent swego ładunku, ale jest to niemożliwe w  naszym świecie. Elektron, proton, p+ i  inne cząstki zawsze mają ładunek równy 1,0000.
       Kiedy więc Serber wspomniał o  cząstkach, których ładunek elektryczny wyrażałby się ułamkiem, spotkało się to z  dość oczywistą reakcją: nie ma mowy. Takich rzeczy dotąd nie widziano i  ten skądinąd ciekawy fakt, że wszystkie obserwowane ładunki są całkowitą wielokrotnością unikalnego i  niezmiennego wzorca, został z  biegiem czasu wbudowany w  fundamenty intuicyjnego sposobu myślenia w  fizyce. To skwantowanie ładunku elektrycznego było jedną z  przyczyn poszukiwania jakiejś głębszej symetrii, która pozwoliłaby je wyjaśnić. Jednak Gell-Mann przemyślał sprawę dokładnie i  sformułował hipotezę mówiącą o  kwarkach. Jednocześnie rozwodnił całą sprawę (tak w  każdym razie zdawało się niektórym z  nas), sugerując, że kwarki nie są rzeczywistymi cząstkami, tylko stanowią użyteczny twór matematyczny.
       Trzy kwarki, które urodziły się w  1964 roku, otrzymały nazwy górny – u  (od ang. up), dolny – d  (down) i  dziwny – s  (strange). Istnieją też, oczywiście, trzy antykwarki u, d i  s. Trzeba było bardzo ostrożnie dobrać własności kwarków, aby dało się z  nich zbudować wszystkie znane hadrony. Kwark u  został obdarzony ładunkiem +2/3, kwarki d  i  s  otrzymały po –1/3. Antykwarki mają takie same ładunki, lecz o  przeciwnym znaku. Inne liczby kwantowe również są tak dobierane, by ich suma wypadła poprawnie. Proton składa się z  trzech kwarków – uud – o  ładunkach +2/3, +2/3 i –1/3, co w  sumie daje +1, czyli zgadza się z  tym, co wiemy o  protonie. Neutron jest kombinacją kwarków udd o  ładunkach +2/3, –1/3 i –1/3. Ich suma wynosi zero, co również nam odpowiada, bo neutron jest neutralny.
       Zgodnie z  modelem kwarkowym wszystkie hadrony składają się z  kwarków, niektóre z  dwóch, inne z  trzech. Istnieją dwie klasy hadronów: bariony i  mezony. Bariony – rodzina, do której należą proton oraz  neutron – składają się z  trzech kwarków. Mezony, obejmujące piony i  kaony, składają się z  dwóch kwarków, ale musi to być zawsze para kwark-antykwark. Na przykład układ ud to dodatni pion (p+). Jego ładunek wynosi +2/3 +1/3, czyli jeden. (Zauważmy, że d, antydolny kwark, ma ładunek +1/3).
       Gdy powstawała ta hipoteza, liczby kwantowe kwarków i  ich własności, jak spin, ładunek i  izospin, dobierano w  ten sposób, by można było za ich pomocą objaśnić własności zaledwie kilku barionów (proton, neutron, L  itd.) oraz mezonów. Potem okazało się, że te liczby i  ich odpowiednie kombinacje pasują do wszystkich znanych hadronów. Całość działa. I  wszystkie cechy obiektu złożonego – na przykład protonu – zależą od własności kwarków, z  których się składa, modyfikowanych przez ich wzajemne oddziaływania. Taki w  każdym razie panuje pogląd, czy może raczej tak przedstawia się zadanie, stojące przed pokoleniami fizyków i  pokoleniami komputerów, oczywiście pod warunkiem, że dostarczy się im danych.
       Kombinacje kwarków związane są z  interesującym zagadnieniem. Cechą typową dla ludzi jest modyfikowanie zachowania w  zależności od towarzystwa, w  jakim się obracają. Jak się jednak przekonamy, kwark nigdy nie jest sam, więc ich prawdziwe, pierwotne własności można określić jedynie drogą dedukcji na podstawie rozmaitych sytuacji, w  jakich możemy je obserwować. W każdym razie, oto kilka typowych kombinacji kwarków oraz  hadrony, jakie z  nich powstają:
 
      BARIONY      MEZONY
uudprotonuddodatni pion
uddneutronduujemny pion
udslambdauu + ddneutralny pion
uussigma plususdodatni kaon
ddssigma minussuujemny kaon
udssigma zerodsneutralny kaon
dssksi minusdsneutralny antykaon
ussksi zero  
 
       Fizycy radowali się spektakularnym sukcesem, który polegał na zredukowaniu setek, zdawałoby się, elementarnych obiektów do zaledwie trzech rodzajów kwarków. (Nazwa „as” zanikła. Jeśli idzie o  zdolność do nadawania chwytliwych nazw, nikt nie jest w  stanie wytrzymać konkurencji z  Gell-Mannem). Dobrą teorię poznaje się po tym, czy pozwala formułować trafne przewidywania, a  kwarkowa hipoteza odnosiła błyskotliwe sukcesy. Na przykład w  rejestrze odkrytych cząstek nie było takiej, która składa się z  trzech dziwnych kwarków, ale to nie powstrzymało nas przed nadaniem jej nazwy omega minus (W). Ponieważ cząstki zawierające kwark s  mają określone własności, można więc było łatwo przewidzieć cechy hadronu składającego się z  trzech kwarków dziwnych (sss). W jest bardzo dziwną i  charakterystyczną cząstką. W  roku 1964 odkryto ją w  komorze pęcherzykowej w  Brookhaven i  zachowywała się dokładnie tak, jak przewidział Gell-Mann.
       Nie rozwiązało to, rzecz jasna, wszystkich spornych kwestii. W  żadnym wypadku! Pozostało wiele pytań. Na początek: co sprawia, że kwarki trzymają się razem? Ta potężna siła w  ciągu trzydziestu lat stała się obiektem tysięcy prac teoretycznych i  eksperymentalnych. Teoria zwana chromodynamiką kwantową zaproponowała nowy gatunek cząstek przenoszących oddziaływanie – gluonów – których zadaniem byłoby cementowanie (!!) kwarków w  jedną całość. Ale wszystko w  swoim czasie.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach