Ostatni z tekstów o naturze i potędze rzeczy małych pozwoliłem sobie zakończyć stwierdzeniem, że budujące jądra atomowe protony i neutrony mają bardzo bogate życie wewnętrzne, polegające na ciągłej wymianie cząstek niosących ładunek „kolorowy”, czyli gluonów. Ot, zamiast statycznych, spokojnych kulek mamy coś w stylu kolorowego tornada.

Jednak sama wymiana gluonów pomiędzy kwarkami nie wyjaśnia, dlaczego samo jądro trzyma się w kupie. To, że każdy z protonów czy neutronów w swoim wnętrzu przypomina kolorowe tornado, nie mówi, że same dwa protony powinny się przyciągać na tak małych dystansach. Zresztą co miałoby to „przyciąganie” przenosić, skoro fotony się do tego nie mieszają, a gluony nie istnieją samodzielnie? Oddziaływanie elektromagnetyczne świetnie się sprawdza w utrzymywaniu elektronów wokół jądra, a silne sprzyja utrzymywaniu protonów i neutronów, ale to za mało do utrzymania samego jądra. Wyjaśnieniem problemu zajął się Hideki Yukawa.

Nie wchodząc w matematykę, która pozwoliła Yukawie to stwierdzić, doszedł on do wniosku, że jeśli istnieje cząstka przenosząca takie oddziaływanie, to ma spin całkowity, a więc zalicza się do tej samej rodziny, co przenoszące swoje oddziaływania foton i gluon, czyli do bozonów, a jej masa plasuje ją gdzieś pomiędzy elektronem a protonem. Dlatego też nazwano ją mezonem – od greckiego „meso”, czyli „między”. Niedługo później przy pomocy instrumentów podobnych do Wielkiego Zderzacza Hadronów wykryto tego rodzaju cząstkę, a autorowi koncepcji wręczono, zresztą jako pierwszemu Japończykowi w historii, nagrodę Nobla. Czyli można się rozejść? Nie, bo choć wiemy, że jest „coś”, co wiąże same protony, to wypadałoby wyjaśnić, skąd się to coś bierze. Cóż, tak jak w przypadku protonów czy neutronów, ów mezon również okazał się mieć bogate życie wewnętrzne i być cząstką elementarną tylko z nazwy.

Pamiętacie specyficzne cechy oddziaływania silnego i związanego z nim ładunku kolorowego? W przeciwieństwie do tego przenoszonego przez fotony wzmacnia się w miarę rozciągania, no i nie zezwala na istnienie samego gluonu lub kwarka, który nie miałby towarzystwa, tak, aby łączny ładunek koloru był „biały”. Wiemy również, że gdyby próbować oderwać pojedynczy kwark, to z użytej energii natychmiast powstaną kolejne w odpowiednich parach kwark – antykwark. No to zbierzmy to razem, a wszystko stanie się jasne.

Tzw. siły jądrowe, które trzymają poszczególne protony i neutrony jądra razem, są właśnie wynikiem istnienia oddziaływań silnych. Trzymają się dlatego, że wymieniają między sobą pary kwark – antykwark, nazywane mezonami. Dlaczego kwark – antykwark? Bo nie mogą przekazać sobie pojedynczego, a dwa kwarki nie dałyby w sumie koloru białego. Tymczasem antykwarki mają „antykolory”: antyczerwony, antyniebieski i antyzielony, co pozwala im tworzyć układy kolor – antykolor. Właśnie takie przerzucanie średniej piłki składającej się z pary kwark – antykwark pomiędzy protonami i neutronami składającymi się z trzech kwarków sprawia, że jądra atomowe są mniej więcej trwałe. Średnia piłka nazywa się mezonem pi lub pionem i występuje w trzech wariantach, które różnią się ładunkiem elektrycznym dodatnim, ujemnym lub neutralnym. Nasuwa się jedynie pytanie: skąd się ta piłka bierze? Z zasady nieoznaczoności, która zezwala na istnienie tzw. cząstek wirtualnych. Próżnia nie jest pusta, pełno w niej potencjałów – i właśnie z tej energii natura może skorzystać, aby stworzyć sobie potrzebny bozon. Przy czym zasada jest prosta: im więcej energii zostało wzięte, tym krócej cząstka istnieje, a więc oddziaływanie ma mniejszy zasięg. Mezon to 1/6 masy protonu, czyli całkiem sporo. Oznacza to, że pożyje dosłownie biliardowe części sekundy, co przekłada się na krótką drogę, którą może przebyć, co z kolei sprawia, że oddziaływanie może i jest silne, ale tylko na śmiesznie małym dystansie pomiędzy protonami i neutronami tworzącymi jądro.
Przyznam szczerze – to całkiem zabawne, kiedy uświadomić sobie, że jądro atomowe zamiast statycznej kulki przypomina tornado, w którym dosłownie znikąd pojawiają się cząstki, a ich jedyną rolą jest zniknąć za mniej niż mgnienie oka.

W toku dalszych badań ustalono zaś, że każdy z kwarków oraz neutrino i elektron mają kuzynów, których odróżniają jedynie masa i ładunek, umownie nazywany zapachem. Tu zgódźmy się co do jednego: cząstka elementarna to taka naprawdę najmniejsza cegiełka rzeczywistości. Dziś wiemy, że wygląda to mniej więcej tak, jak na poniższej ilustracji.

Cząstek o spinie połówkowym, zwanych fermionami, jest 12, a ich masa rośnie w kierunku wskazanym przez strzałkę. Mamy sześć kwarków różniących się tylko masą i ładunkiem, zwanym umownie zapachem, od którego biorą nazwy: u – górny, d – dolny, c – powabny, s – dziwny, t – prawdziwy / szczytowy, b – piękny / denny. Kolejna szóstka to tzw. leptony. Elektron, mion i taon oraz odpowiadające im neutrina. Cząstki dzielimy na generacje według kolumn, a więc jest ich trzy. Oddziaływanie elektromagnetyczne przenosi foton, a silne gluon. Oddziaływanie elektromagnetyczne dotyczy cząstek posiadających ładunek elektryczny, a więc wszystkiego oprócz neutrin i gluonów. Oddziaływanie silne dotyczy wszystkich, które przenoszą kolor, a więc kwarków, antykwarków i gluonów.

Dociekliwi mogliby zapytać, czy jest jakieś oddziaływanie związane z ładunkiem nazywanym zapachem. Tak, a dotyczy dwóch słabo widocznych literek w prawym dolnym rogu ilustracji. Są słabo widoczne, bo samo oddziaływanie jest słabe, ale właśnie badania nad nim doprowadziły nas do odkrycia m.in. bozonu Higgsa. O tym jednak kolejnym razem.

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