Jak do tej pory we wszystkich tekstach dotyczących mikroświata chciałem przekazać jedną rzecz – to, co zwykło się nazywać rzeczywistością ma bardzo prostą budowę i podlega prostym prawom. To, że widzimy, a kompas wskazuje północ, wynika z oddziaływania, które polega na wyemitowaniu lub pochłonięciu cząstki zwanej fotonem. Że istnieją siły, które potrafią przełamać moc elektromagnetyzmu i połączyć dwa protony w jądro i że wynika to z wyemitowania lub pochłonięcia czegoś, co nazywa się mezonem, a same kwarki, które tworzą cuda takie jak proton lub neutron posługują się cząstką zwaną gluonem. A to wszystko ma związek z jakimś kolorem, którego nie ma i zapachem, który wcale nie pachnie.
Strasznie dużo tych nazw, a większość kojarzy się z nudną, szkolną fizyką. Zbierzmy więc to, co już wiemy – i ustandaryzujmy 🙂
Prawda, że nie ma tego dużo? Sześć kwarków i sześć leptonów budujących znaną nam materię, z czego materię, z którą mamy kontakt najczęściej, budują kwarki górny i dolny oraz elektron. Każdy z kwarków oraz leptonów ma swoją antycząstkę.
Kwarki od leptonów odróżnia „cząstkowy” ładunek elektryczny i ładunek koloru. Nigdy nie występują samodzielnie, gdyż najprawdopodobniej mogą istnieć jedynie takie układy, których wypadkowy ładunek koloru będzie „biały”. Kombinacja trzech kwarków to barion. Protony i neutrony są barionami, w których każdy z kwarków przenosi inny kolor: czerwony, zielony lub niebieski. Po zmieszaniu dadzą one biały. Inną możliwością jest para kwark – antykwark, nazywana mezonem, w której kwark przenosi ładunek koloru, a antykwark antykoloru, np. antyniebieski, antyczerwony, antyzielony. Z braku obserwacji innych układów wysnuto powyższy wniosek co do neutralności ładunku kolorowego.
Leptony od kwarków różni to, że mogą istnieć samodzielnie. Oznacza to, że nie podlegają oddziaływaniu silnemu związanemu z ładunkiem koloru. Elektron, mion i taon przenoszą ujemny ładunek elektryczny, a ich antycząstki dodatni. Neutrina to bardzo tajemnicze cząstki, które trudno zaobserwować, nie przenoszą ładunku elektrycznego, a ich masy są bardzo niskie.
Rzymska cyfra pod każdą z kolumn oznacza generację bądź rodzinę, do której przynależy. Im wyższy numer, tym cząstka cięższa. Na tym poziomie dla wygody używamy jednostki nazywanej elektronowoltem. To tyle energii, ile potrzeba, aby elektron przeskoczył pomiędzy schodkami o wysokości 1V, czyli 1 eV = 1,602 177 33(49)·10−19 J. Żeby to jakoś odnieść do rzeczywistości, wyobraźcie sobie małego ptaszka o masie 100 g, poruszającego się z przyśpieszeniem 1m/s2. Energia, jakiej potrzeba, aby przebył 1 metr, to właśnie 1J. Sami widzicie, jak mała to ilość energii. Tu nasuwa się pytanie. Skoro elektronowolt jest jednostką energii, to dlaczego używamy jej w kontekście masy? Gdyż wzór E=mc2 jest prawdziwy! Każda masa to niejako ukryta w niej energia – i na odwrót. Stąd, jeśli przekształcić ten wzór tak, by opisywał masę, to uzyskamy m=E/c2 i jednostkę eV/c2.
Wszystkie cząstki z rodziny kwarków i leptonów są fermionami, tj. ich spin wynosi 1/2. Drugą rodzinę cząstek tworzą przenoszące oddziaływania bozony, których spin jest zawsze liczbą całkowitą.
Oddziaływanie elektromagnetyczne to domena fotonów, które nie posiadają ani masy, ani ładunku elektrycznego. Poruszają się zawsze z prędkością światła i mogą pokonywać ogromne dystanse. Ponieważ nie przenoszą ładunku, nie oddziałują same ze sobą, z czego wynika m.in ogromny dystans, który mogą przebyć. Oddziaływanie silne jest domeną bezmasowych gluonów, które, o ile nie przenoszą ładunku elektrycznego, to przenoszą ładunek koloru i dzięki temu mogą oddziaływać same ze sobą. Ponieważ nie mogą istnieć obiekty, których kolor byłby inny niż biały, to nie obserwujemy samotnych gluonów, ponieważ siła wynikająca z ładunku koloru rośnie zamiast maleć wraz z dystansem, to jest ono niezwykle silne, ale na małym, porównywalnym do rozmiaru jądra atomowego dystansie. Kwarki wymieniają się nimi tak szybko, że nie można powiedzieć, jaki kolor ma kwark w danym momencie. Jak wielka jest to moc, możemy sprawdzić, sumując masy dwóch kwarków górnych i jednego dolnego i porównując wynik do masy samego protonu, który tworzą, tj. około 938,272 MeV. Można bezpiecznie powiedzieć, że masa kwarków to ułamek tego, co wynika z tornada gluonów wymienianych pomiędzy kwarkami – E=mc2.
Jest jeszcze jedno oddziaływanie ujęte w tym modelu, nazywane słabym. Przenoszą je bozony W i Z. Jest ono bardzo dziwne i dzięki niemu wpadliśmy na ślad bozonu Higgsa. Chciałbym mu poświęcić kolejny wpis, gdyż dzięki temu łatwo zrozumiemy zjawisko radioaktywności i sam fenomen cząstki nazywanej „boską”.
(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.