O kwarkach
Co jest wewnątrz atomu? Co jest w środku protonu? To pytania zadawane przez fizyków, którzy starają się zrozumieć materię na najbardziej fundamentalnym poziomie.
Atom zawiera jądro, złożone z protonów i neutronów, otoczone chmurą elektronów. Eksperymenty, które sięgają głębiej, odkrywają, że elektrony nie wykazują żadnej struktury, ale protony i neutrony tak. Zawierają one fundamentalne cząstki zwane kwarkami, które przyciągają się tak silnie, że nie mogą istnieć jako swobodne cząstki w zwykłych warunkach. Kosmolodzy teoretyzują, że w niesamowitych warunkach tuż po Wielkim Wybuchu kwarki mogły istnieć swobodnie w tak zwanej plazmie kwarkowo-gluonowej, stanie materii, który niektórzy fizycy cząstek próbują stworzyć w laboratorium. (Zobacz Nuclei Knockdown)
Diagram struktury kwarkowej protonów i neutronów (diagram dzięki uprzejmości Brookhaven National Laboratory)
Skąd wiemy, że kwarki istnieją? Musimy to wywnioskować z pomiarów pośrednich, ponieważ nie możemy zaobserwować wolnego kwarka. Na przykład, gdy elektrony o bardzo wysokiej energii zderzają się z protonami, rozkład cząstek po zderzeniu pokazuje, że wewnątrz protonów znajdują się maleńkie cząstki.
Kwarki występują w sześciu sugestywnych „smakach” – górnym, dolnym, dziwnym, zauroczonym, dolnym i górnym – i dla każdego z nich istnieje antykwark. (Zobacz The Buzz about Antimatter)
Kombinacje kwarków górnych i dolnych tworzą cząstki jądrowe – dwa kwarki górne i jeden dolny dla protonu, i jeden kwark górny i dwa dolne dla neutronu, jak pokazano na rysunku. Ładunki kwarków łączą się, dając ładunek protonu i neutronu, jak pokazano poniżej i w tabeli.
Proton = kwark górny + kwark górny + kwark dolny
Ładunek protonu:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = kwark górny + kwark dolny + kwark dolny
Ładunek neutronu:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
Inny rodzaj cząstek, mezon, składa się z dwóch kwarków, a dokładniej z kwarka i antykwarka. Na przykład, pi-plus jest kwarkiem górnym i antykwarkiem dolnym. To daje nam dwa rodzaje cząstek zbudowanych z kwarków – subatomowe cząstki jądrowe (proton i neutron) oraz mezony. Czy może być ich więcej?
Badania
Zgodnie z Modelem Standardowym protony, neutrony, mezony pi i inne pokrewne cząstki składają się z różnych kombinacji kwarków. W tej teorii możliwa jest cząstka składająca się z pięciu kwarków – penta-kwark. Jest takie stare powiedzenie w fizyce: „Wszystko, co nie jest zabronione, jest wymagane”. Być może mając to na uwadze, fizycy od 30 lat poszukują cząstki pięciokwarkowej. W 1997 roku poszukiwania te nabrały nowego kierunku dzięki przewidywaniom trzech rosyjskich fizyków, którzy stwierdzili, że penta-kwark składający się z dwóch kwarków górnych, dwóch kwarków dolnych i jednego anty-dziwnego będzie miał około 1,5 razy większą masę niż proton.5 razy większą masę od protonu i mógłby być wykryty przy użyciu dzisiejszej technologii fizyki cząstek.
Produkcja penta-kwarka poprzez absorpcję promienia gamma (linia wiggly) przez jądro. Penta-kwark rozpada się tak szybko, że nie można go zaobserwować, więc o jego istnieniu należy wnioskować na podstawie obserwacji promieni gamma i mezonów K+, które powstają podczas rozpadu penta-kwarka (obraz dzięki uprzejmości Physics News Graphics, American Institute of Physics).
Detektor mezonu K w Jefferson Lab (JLab), jednym z laboratoriów, w których zaobserwowano pentaquark (zdjęcie dzięki uprzejmości Grega Adamsa, Jefferson Lab).
Pentaquark powstaje w wyniku bombardowania lekkich jąder promieniami gamma o wysokiej energii, jak pokazano na rysunku. Samego penta-kwarka nie można wykryć, ponieważ żyje on tylko około 10-20 sekund zanim rozpadnie się na neutron i mezon K+ (patrz prawa górna część diagramu). Obserwacje mezonu i promieni gamma ustaliły obecność penta-kwarka, a trzy dodatkowe eksperymenty potwierdziły ten wynik.
Ten egzotyczny nowy rodzaj cząstki wywołał spore poruszenie w świecie fizyki. Jak to często bywa, odkrycie zrodziło nowe interesujące pytania, okazuje się bowiem, że sama teoria, która doprowadziła eksperymentatorów do odkrycia, nie przewiduje poprawnie wszystkich własności penta-kwarka. Pojawiła się już konkurencyjna teoria, a ponieważ obie przewidują nieodkryte jeszcze cząstki, w dodatku o różnych masach, przyszłe eksperymenty mogą rozstrzygnąć tę sprzeczność. W każdym razie, jest to ekscytujący czas w fizyce cząstek elementarnych.
Linki
Lawrence Berkeley National Lab
- Przygoda z cząstkami
Przyspieszacz liniowy w Stanford
- Teoria cząstek
The Exploratorium/CERN
- Model Standardowy
Konstrukcja detektora Jefferson Lab (zdjęcie dzięki uprzejmości Jlab/Departamentu Energii).
Dodaj komentarz