6. Kwarki |
Kiedy w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych ubiegłego wieku odkrywano lawinowo coraz to więcej cząstek, pojawiła się wątpliwość czy aby wszystkie one są prawdziwie elementarne. Początkowo starano się wśród znanych cząstek zdefiniować kilka takich, które można byłoby nazwać elementarnymi. Dla przykładu, w modelu zaproponowanym przez japońskiego fizyka S. Sakatę były to: proton, neutron i hiperon
.
Rewolucyjną na owe czasy hipotezę wysunęli w 1964 roku M. Gell-Mann i niezależnie G. Zweig. Założyli oni, że wszystkie cząstki silnie oddziałujące zbudowane są z trzech typów cząstek podstawowych, które przez Gell-Manna zostały nazwane kwarkami. Każdemu typowi kwarków przypisano własność zwaną zapachem (flavor) i oznaczono symbolami: u (up) - górny, d (down) - dolny, i s (strange) - dziwny. Przypisano kwarkom wartość spinu równą
i ułamkowe wartości ładunków równe odpowiednio: +2/3, -1/3, -1/3 ładunku elementarnego e . Zgodnie z ta hipotezą, wszystkie cząstki zwane mezonami składają się z pary kwark-antykwark, a cząstki zwane barionami, do których należą: proton i neutron, składają się z trójek kwarków.
Aby utworzyć z trójki kwarków wielką liczbę kombinacji reprezentujących różne cząstki i by równocześnie spełnić zakaz Pauliego zabraniający tworzenia stanów związanych z kwarków o tych samych liczbach kwantowych, wprowadzono pojęcie "koloru" kwarków. Każdy kwark może występować w trzech odmianach różniących się kolorem, podobnie jak ładunki elektryczne mogą wystepować w dwóch odmianach rózniących sie znakiem. W ten sposób kwarki obdarzone są ładunkiem kolorowym. (Oczywiście nie chodzi tu o kolor w sensie dosłownym.) Pomimo jednak, że kwarki mogą być kolorowe, to realne cząstki z nich utworzone są zawsze bezbarwne (białe), bowiem bariony tworzone są z takich trójek kolorowych kwarków, że kolor wypadkowy jest zawsze neutralny, czyli biały. Mezony tworzone są z dwójek kwarków o kolorach dopełniających się tj. par: kwark-antykwark. W rezultacie takiego zestawienia kwarkowego mezonów i barionów spin mezonów jest liczbą całkowitą, tj. całkowitą wielokrotością stałej Plancka
, a spin barionów jest połówkowy.
Późniejsze odkrycia nowych cząstek ukazały potrzebę wprowadzenia jeszcze trzech kwarków ( i ich antykwarków). Obecnie wyróżnia się sześć typów (zapachów) kwarków: u,d,s,c,b,t. Ten zestaw aktualnie uważa się za kompletny. Pozwala on opisać wszystkie znane cząstki, tłumaczy też wiele własności cząstek i relacji pomiędzy nimi.
Oczywiście, podejmowane były próby zarejestrowania swobodnych kwarków. Próby te nie powiodły się jednak. Powodem tego jest specyfika oddziaływania kwarków. Kiedy podejmuje się próbę oderwania kwarku od układu związanego jakim jest realna, zbudowana z kwarków cząstka, to energia dostarczana do układu nie jest zużyta na odseparowanie kwarku, ale na wyprodukowanie pary kwark-antykwark stanowiącej realną cząstkę np. mezon
. Fakt, że kwarki muszą zawsze pozostawać w stanach związanych, a nie mogą istnieć w stanie wolnym nazywa się uwięzieniem kwarków (confinement).
Nośnikami oddziaływań pomiędzy kwarkami są cząstki zwane gluonami (glue - po angielsku klej). Dla przenoszenia koloru pomiędzy kolorowymi kwarkami potrzebne jest 8 typów gluonów.
Kolorowe oddziaływania kwarków różnią się zasadniczo od oddziaływań elektromagnetycznych. Po pierwsze, są niezależne od ładunku elektrycznego. Po drugie, podczas gdy siła oddziaływania pomiędzy ładunkami elektrycznymi maleje wraz ze wzrostem odległości pomiędzy nimi, to siła wzajemnego oddziaływania kwarków rośnie wraz ze wzrostem ich wzajemnej odległości. Kiedy natomiast odległość pomiędzy kwarkami jest mała, można uznać, że na siebie wzajemnie nie oddziałują Oddziaływanie pomiędzy dwoma kwarkami można więc obrazowo przedstawić w postaci elastycznej struny, która jest nie naciągnięta gdy są blisko, coraz większej siły potrzeba by ją naciągnąć (kwarki oddalać), zaś gdy siła jest wystarczająco duża, struna pęka, a na powstałych końcach pojawia się para kwark- antykwark stanowiąca realną cząstkę. To właśnie jest powodem, że nie możemy obserwować swobodnych kwarków. To jest także powodem, że nie możemy okreslić dokładnie masy kwarków, bowiem o ich masach możemy dowiedzić się jedynie za posrednictwem mas czastek, które z nich się składają. Na masę tych cząstek składa sie jednak nie tylko masa kwarków ale i energia ich wiązania. Podawane masy kwarków stanowią więc jedynie szacunkowe określenie wynikające ze składu kwarkowego obserwowanych cząstek.
Wyszukiwarka