W poszukiwaniu stabilności

Model Standardowy został potwierdzony przy pomocy eksperymentów prowadzonych za pomocą drogich i dużych zabawek, takich jak mój ulubiony Wielki Zderzacz Hadronów. Dzięki eksperymentom tam prowadzonym oraz wielu wcześniejszym na o wiele prostszej aparaturze udało się nam w wysokoenergetycznych zderzeniach cząstek znaleźć dowody na istnienie kwarków pięknych, prawdziwych, powabnych. Na istnienie mezonów i dziwactw takich jak np. cząstka omega, która składa się z trzech kwarków dziwnych itd. Tu jednak należy sobie postawić pytanie: skoro z kombinacji sześciu kwarków i antykwarków powstaje takie kwantowe zoo, to dlaczego materia budująca nasz świat składa się właściwie wyłącznie z protonów, neutronów i elektronów, a te pozostałe pojawiają się na chwilę?

Odpowiedź na powyższe pytanie sprowadza się właściwie do jednego zdania: bo są niestabilne. I nie powinno to w gruncie rzeczy nikogo dziwić, bo wiemy to ze świata w bardziej makroskopowej skali. Jądra wielu pierwiastków są niestabilne i rozpadają się w różnych procesach, tak aby osiągnąć jak najstabilniejszą formę, czyli możliwie niski stan energetyczny. Efektem tego jest zjawisko znane jako radioaktywność. Jak pamiętamy, rozpad radioaktywny polega na przekształceniu jednego jądra w inne z wypromieniowaniem energii w postaci cząstek alfa (dwa protony i dwa neutrony), beta (elektrony) lub gamma (wysokoenergetyczne fotony).

Podobny proces ma miejsce również na poziomie kwarków i leptonów. Weźmy dla przykładu proton i neutron i porównajmy je. Obydwa są barionami, tj. cząstkami składającymi się z kombinacji trzech kwarków. To, co je rozróżnia, to ładunek elektryczny i masa. Neutron posiada masę ok. 939,6 MeV a proton zaledwie 938,3 MeV. Swobodny neutron przeżyje około 15 minut, podczas gdy nigdy nie zaobserwowano rozpadu swobodnego protonu. Jak widać, w świecie kwantów różnicę pomiędzy być i nie być stanowi mała porcja energii – w tym wypadku jest to 1,3 MeV, którego neutron pozbywa się przekształcając w najstabilniejszy z barionów, czyli proton. Jak pamiętamy, neutron składa się dwóch kwarków dolnych i jednego górnego, a to, w co się przemienia, to układ dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Łatwo zauważyć, iż taka przemiana to w gruncie rzeczy zamiana jednego kwarku w inny, czyli zmiana jego ładunku określanego jako “zapach”.

Jak pewnie pamiętacie ze szkolnych podręczników, pada tam takie okrągłe zdanie, iż za “rozpad radioaktywny jest odpowiedzialne oddziaływanie słabe” bez głębszego wyjaśnienia, co to za dziwo. Otóż taka zmiana zapachu na poziomie kwarków nie polega na tym, że kwark zmienia swój zapach i tyle. Jesteśmy w świecie fizyki, gdzie każde oddziaływanie polega na wyemitowaniu lub pochłonięciu cząstki. W elektromagnetycznych i silnych są to odpowiednio bezmasowe fotony i gluony. W tym wypadku neutron zmienia się w proton, emitując elektron i antyneutrino. Za ten proces z pewnością nie są odpowiedzialne gluony, zdolne jedynie do zmiany koloru kwarku, ani tym bardziej fotony, które zajmują się oddziaływaniem, które jakie jest, każdy widzi – dosłownie.

Jak się okazuje, za tym zjawiskiem stoi właśnie oddziaływanie słabe, które przenoszą cząstki mające wiele wspólnego z duchami, bo obserwacja ich nastręcza podobnych problemów i wymaga równie dziwnych urządzeń i detektorów. Kolejnymi członkami rodziny przenoszących oddziaływania bozonów są dwa wuony i zeton (nie mylić z żetonem).

Jak łatwo zauważyć, na tle pozostałych wyróżnia je potężna masa, która sprawia, że w świecie kwantów mogą istnieć dosłownie ułamki sekund, w których mogą przebyć dystans około 100-krotnie mniejszy niż rozmiary atomu wodoru. Zasięg takiego oddziaływania w porównaniu z silnym (spajającym kwarki) czy elektromagnetycznym (którego fotony przemierzają odległości kosmiczne) jest po prostu śmiesznie mały, stąd jego słabość. Gdy neutron rozpada się, z jego wnętrza wyłania się właśnie taki kwantowy duch, by natychmiast zniknąć, emitując wspomniane wcześniej elektron i antyneutrino. Takie są zasady w tym świecie – im więcej energii “pożyczono z próżni”, tym szybciej taka cząstka musi się rozpaść. Tak, jak oddziaływanie związane z fotonami dotyczy wszystkich cząstek posiadających ujemny lub dodatni ładunek elektryczny, a silne tych obdarzonych ładunkiem kolorowym, tak oddziaływanie słabe jest jedynym zdolnym do ingerencji w zapach danej cząstki.

Takie cząstki, które wyłaniają się z kwantowej próżni, by zniknąć po ułamku sekundy, nazywa się “cząstkami wirtualnymi”, a wuony i zetony nie są jedynymi, które powstają w taki sposób. Choć ich istnienie wydaje się być absurdalne, to mamy dowody na ich istnienie, a jednym z nich jest tzw. efekt Casimira.

Doświadczenie polega na umieszczeniu w próżni dwóch metalowych płytek. Jeśli umieścić je odpowiednio blisko, to zaobserwujemy, iż się zetkną. Nie byłoby w tym nic dziwnego, gdyby płytki posiadały różne ładunki elektryczne lub gdyby pojemnik wypełniał gaz, którego cząstki mogłyby się odbijać od zewnętrznych stron płytek. Tutaj jednak mamy próżnię, a jedynym wytłumaczeniem tego zjawiska są właśnie owe kwantowe duchy, czyli cząstki wirtualne. Najprościej można sobie to wyobrazić w następujący sposób. Skoro przestrzeń pomiędzy płytkami jest ograniczona, to powstanie tam mniej takich cząstek niż z zewnątrz, a więc ciśnienie od strony zewnętrznej będzie większe, co powoduje owo zetknięcie się płytek.

Wracając jednak do wuonów i zetonu i ich miejsca w Modelu Standardowym – jak widać to, co odróżnia je od pozostałych bozonów, to masa. No właśnie – skąd ta masa? Właśnie poszukiwanie odpowiedzi na to pytanie spowodowało odkrycie bozonu Higgsa, ale to cześć kolejnej historii.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

One thought on “W poszukiwaniu stabilności

  1. Fascynujące. Przeczytałem 3 razy i nic nie rozumiem. Fascynujące, że są ludzie, którzy swobodnie zgłębili i zrozumieli te zawiłości. Czapki z głów.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *