O kvarcích
Co je uvnitř atomu? Co je uvnitř protonu? To jsou otázky, které si kladou fyzikové, kteří se snaží pochopit hmotu na té nejzákladnější úrovni.
Atom obsahuje jádro složené z protonů a neutronů, obklopené oblakem elektronů. Experimenty, které zkoumají hlouběji, zjišťují, že elektrony nevykazují žádnou strukturu, ale protony a neutrony ano. Obsahují základní částice zvané kvarky, které se vzájemně přitahují tak silně, že za běžných podmínek nemohou existovat jako volné částice. Kosmologové teoreticky předpokládají, že v neuvěřitelných podmínkách těsně po velkém třesku mohly kvarky existovat volně v tzv. kvark-gluonovém plazmatu, což je stav hmoty, který se někteří částicoví fyzikové snaží vytvořit v laboratoři. (Viz Srážka jader)
Diagram kvarkové struktury protonů a neutronů (schéma s laskavým svolením Brookhaven National Laboratory)
Jak víme, že kvarky existují? Musíme to odvodit z nepřímého měření, protože volný kvark nemůžeme pozorovat. Například když se elektrony s velmi vysokou energií srazí s protony, rozložení částic po srážce ukazuje, že uvnitř protonů jsou malé částice.
Kvarky mají šest sugestivních „příchutí“ – nahoru, dolů, podivný, okouzlený, spodní a horní – a pro každou z nich existuje antikvark. (Viz Buzz o antihmotě)
Kombinace up a down kvarků tvoří jaderné částice – dva up kvarky a jeden down pro proton a jeden up kvark a dva down pro neutron, jak je znázorněno na obrázku. Kombinací nábojů kvarků vzniká náboj protonu a neutronu, jak je znázorněno níže a v tabulce.
Proton = up kvark + up kvark + down kvark
Náboj protonu:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = up kvark + down kvark + down kvark
Náboj neutronu:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
Jiný druh částice, mezon, se skládá ze dvou kvarků, přesněji z kvarku a antikvarku. Například pi-plus je tvořen up kvarkem a anti-down kvarkem. To nám dává dva druhy částic složených z kvarků – jaderné subatomární částice (proton a neutron) a mezony. Mohlo by jich být více?
Výzkum
Podle standardního modelu se protony, neutrony, pi-mezony a další příbuzné částice skládají z různých kombinací kvarků. V této teorii je možná částice složená z pěti kvarků – pentakvark. Ve fyzice existuje staré přísloví, že „vše, co není zakázáno, je nutné“. Snad s tímto vědomím hledají fyzikové částice s pěti kvarky již 30 let. V roce 1997 dostalo toto hledání nový směr díky předpovědi tří ruských fyziků, že pentakvark složený ze dvou up kvarků, dvou down kvarků a jednoho antipodivného kvarku bude mít zhruba 1,5 % hmotnosti.5násobek hmotnosti protonu a mohl by být detekován současnou technologií částicové fyziky.
Produkce pentakvarku absorpcí záření gama (wiggly line) jádrem. Pentakvark se rozpadá tak rychle, že jej nelze pozorovat, takže jeho existence musí být odvozena z pozorování záření gama a mezonů K+, které vznikají při rozpadu pentakvarku (obrázek se svolením Physics News Graphics, American Institute of Physics).
Detektor mezonů K v Jeffersonově laboratoři (JLab), jedné z laboratoří, kde byl pentakvark pozorován (foto s laskavým svolením Grega Adamse, Jeffersonova laboratoř).
Pentakvark vzniká bombardováním lehkých jader vysokoenergetickým zářením gama, jak ukazuje obrázek. Samotný pentakvark nelze detekovat, protože žije jen asi 10-20 sekund, než se rozpadne na neutron a mezon K+ (viz pravá horní část diagramu). Pozorování mezonu a záření gama prokázala přítomnost pentakvarku a tři další experimenty tento výsledek potvrdily.
Tento nový exotický druh částice způsobil ve světě fyziky značný rozruch. Jak už to bývá, objev vyvolal nové zajímavé otázky, neboť se ukázalo, že samotná teorie, která vedla experimentátory k jejich objevu, nepředpovídá všechny vlastnosti pentakvarku správně. Objevila se již konkurenční teorie, a protože obě teorie předpovídají dosud neobjevené částice, a to s různými hmotnostmi, budoucí experimenty mohou tento spor vyřešit. V každém případě je to pro částicovou fyziku vzrušující období.
Odkazy
Lawrence Berkeley National Lab
- Dobrodružství s částicemi
Stanfordský lineární urychlovač
- Teorie částic
Dobrodružství s částicemi
Překlad Exploratorium/CERN
- Standardní model
Stavba detektoru v Jeffersonově laboratoři (foto se svolením Jlab/Department of Energy).
Napsat komentář