Początek. Jim Baggott
pierwsze z długiego łańcucha odkryć cząstek antymaterii, obdarzonych taką samą masą i spinem jak zwykłe cząstki, lecz przeciwnym ładunkiem elektrycznym. Wszystkie cząstki Modelu Standardowego mają swoje antymaterialne odpowiedniki32. Dla zachowania prostoty nie ma ich na rysunku 11.
RYSUNEK 11. Model Standardowy fizyki cząstek opisuje oddziaływania trzech generacji cząstek materii z wykorzystaniem trzech rodzajów oddziaływań, przenoszonych przez kolekcję „nośników oddziaływań”.
Kwarki również tworzą trzy generacje. Do pierwszej generacji zalicza się kwark górny (u), o ładunku elektrycznym +2/3, oraz kwark dolny (d) o ładunku elektrycznym –1/3. Idea wartości ułamkowych ładunku elektrycznego może być dla Was nowa. Co więcej, prawdę mówiąc, nie dokonano nigdy bezpośredniej obserwacji kwarka o ładunku ułamkowym. Niemniej jednak zapewniam, że istnieją mocne podstawy doświadczalne (choć nie bezpośrednie), by wierzyć, że kwarki rzeczywiście istnieją i mają przypisywane im właściwości. „Górny” i „dolny” odpowiadają różnym „zapachom” kwarków, a każdy „zapach” występuje w trzech „kolorach”: czerwonym, zielonym lub niebieskim (zapisywanych krótko r, g, b).
Kwarki górny i dolny, z masą od 0,0018 do 0,0033 mas protonu (u) i od 0,0044 do 0,0061 mas protonu (d), zaliczają się do stosunkowo lekkich, choć masywniejszych od elektronu. Posługuję się pewną rozpiętością mas, ponieważ zgromadzone dotąd dane doświadczalne fizyki cząstek uniemożliwiają uzyskanie dokładnych wartości masy kwarków.
O ile kwarki mogą wydawać się nieco mniej znajome, o tyle protony i neutrony zapewne budzą przyjemniejsze odczucia. W rzeczywistości proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego (uud), z całkowitym ładunkiem elektrycznym +1. Neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych (udd) i ma ładunek zerowy. Może zastanowić Was prosty fakt, że masy dwóch kwarków górnych i jednego dolnego nie sumują się w masę protonu. W istocie wydaje się, że „brakuje” całkiem sporo masy (na podstawie informacji powyżej możemy oszacować, że kombinacja uud powinna mieć masę w przedziale od 0,008 do 0,013 masy protonu, co oznacza, że około 99 procent masy protonu gdzieś się odmeldowało). Nie martwcie się – odpowiedź jest w drodze.
Ten sam wzorzec powtarza się wśród kwarków drugiej i trzeciej generacji. Kwark powabny (c) niesie ładunek +2/3 i ma masę około 1,37 masy protonu. Kwark dziwny (s) ma ładunek –1/3 i masę około 0,11 masy protonu. Podobnie kwark wysoki (t) ma ładunek +2/3 i masę 184 mas protonu, a kwark niski (b) ładunek –1/3 i masę 4,47 masy protonu.
Wszystkie kwarki i leptony mają spin 1/2 (są fermionami). Wszystkie mają swoje odpowiedniki w antymaterii.
Siły elektromagnetyczne działają na wszystkie cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym, a ich nośnikami są bezmasowe fotony (γ). Oddziaływanie słabe obejmuje swoim wpływem zarówno kwarki, jak i leptony, jego nośnikami zaś, jak wyjaśniałem wcześniej, są „ciężkie fotony”, czyli cząstki W+, W– i Z033. Właściwie pod wpływem promieniowania beta znajdujący się wewnątrz neutronu w niestabilnym jądrze atomu kwark dolny przechodzi w kwark górny, zamieniając neutron w proton. Kwark dolny emituje cząstkę W–, która unosi z sobą zobojętniający neutron ładunek elektryczny. Cząstka W– szybko rozpada się na elektron i coś, co mogę już poprawnie opisać jako antyneutrino elektronowe.
W oddziaływaniu silnym biorą udział tylko kwarki, jako że są to jedyne cząstki materii, które mają „ładunek kolorowy”. To właśnie oddziaływanie silne wiąże ze sobą kwarki wewnątrz protonów i neutronów. Jednak działanie tej siły stoi w pewnej sprzeczności z intuicją.
Kiedy wyobrażamy sobie siłę działającą między dwiema cząstkami, prawdopodobnie przywołujemy na myśl takie oddziaływania, jak grawitacja czy elektromagnetyzm, w których siła jest tym większa, im bliżej są cząstki (rysunek 12). Oddziaływanie silne nie zachowuje się w ten sposób. Kwarki w tym oddziaływaniu sprawiają wrażenie przymocowanych do przeciwległych końców kawałka gumki czy też sprężyny. Kiedy znajdują się blisko siebie, gumka, czy też sprężyna, pozostaje luźna i siła działająca na cząstki jest słaba lub w ogóle nie występuje. Gdy spróbujemy kwarki rozsunąć, gumka, czy też sprężyna, się rozciągnie. Siła będzie tym większa, im bardziej będziemy ciągnąć.
Ilustruje to rysunek 12(b), obrazujący oddziaływanie między kwarkiem i antykwarkiem. Cząstki zbudowane z takiej pary kwark––antykwark to mezony. Na przykład cząstka składająca się z kwarka górnego (ładunek +2/3) i antykwarka dolnego (ładunek +1/3) to mezon o nazwie pion dodatni (π+), obdarzony ładunkiem +1.
RYSUNEK 12. (a) Oddziaływanie elektromagnetyczne między dwiema cząstkami naładowanymi elektrycznie staje się tym silniejsze, im bliżej siebie znajdują się cząstki. Spajające kwarki siły kolorowe zachowują się inaczej. (b) Dla granicznej, zerowej odległości między kwarkiem i antykwarkiem (na przykład) siła wynosi zero. Jej wartość wzrasta, gdy kwarki są od siebie odsuwane.
Cząstkami pośredniczącymi w oddziaływaniach silnych jest osiem różnych bezmasowych gluonów (g), które wiążą ze sobą kwarki, przenosząc z jednego na drugi ładunek kolorowy. Tu właśnie tkwi rozwiązanie zagadki masy protonu. Zasadniczo rzecz biorąc, energia pojedynczego, izolowanego kwarka jest nieskończona – co jest powodem, dla którego pojedynczy kwark nigdy nie został zaobserwowany. Wewnątrz protonu kolor kwarka jest maskowany przez połączenie go z dwoma kwarkami o innych kolorach, tak by kolor wypadkowy był równy zeru. Na przykład połączenie czerwonego kwarka górnego, zielonego górnego i niebieskiego dolnego daje w efekcie „biały” czy też „bezbarwny” proton.
W granicach protonu niemożliwe jest całkowite zamaskowanie obnażonych ładunków kolorowych. Wymagałoby to ułożenia kwarków bezpośrednio jednego na drugim, tak by zajmowały to samo położenie w przestrzeni i w czasie. Problem w tym, że kwarki, jako fermiony, mają spin połówkowy, który uniemożliwia tego rodzaju „zagęszczenie”.
Natura idzie na ustępstwo. Ładunki kolorowe wewnątrz protonu są eksponowane, a energia – manifestowana przez wędrujące między nimi gluony – wzrasta. Co prawda przyrost energii daje się opanować, ale jest znaczący. Wewnątrz protonu dochodzi do nagromadzenia energii gluonów i choć one same są bezmasowe, ich energia, na mocy wzoru m = E/c2, odpowiada za pozostałe 99 procent masy protonu.
Wszystkie nośniki oddziaływań – foton, cząstki W i Z oraz gluony – mają spin równy 1 (są bozonami). Ostatnia cząstka w Modelu Standardowym to, oczywiście, elektrosłaby bozon Higgsa ze spinem zero.
W obecnej formie Model Standardowy fizyki cząstek stanowi wielki triumf ludzkiego intelektu. Niestety, jest przy tym stosunkowo mało satysfakcjonujący. Zawiera 61 cząstek elementarnych. Policzmy: są trzy generacje cząstek materii, z tym że na każdą z nich składają się dwa leptony i dwa zapachy kwarków, z których każdy występuje w trzech różnych kolorach (co daje całkowitą liczbę 24), antycząstki każdej z nich (co daje 48), 12 cząstek siły – foton, W+, W– i Z oraz osiem gluonów (co daje 60) i wreszcie bozon Higgsa (61).
A chociaż mamy dzisiaj solidne podstawy, by wierzyć, że każda cząstka zyskuje masę wskutek interakcji z polem Higgsa, nie wiemy, co wpływa na siłę tego oddziaływania. Dlatego nie potrafimy przewidywać masy cząstek, której wartości wydają nam się przypadkowe.
CIEMNA MATERIA
A to nie ostatni z naszych problemów. Chcąc wyjaśnić obserwowaną przez nas wielkoskalową strukturę Wszechświata, potrzebujemy przynajmniej jeszcze jednego rodzaju cząstek elementarnych, niewystępującego w Modelu Standardowym.