nauki ścisłe
Autor: Don Lincoln | dodano: 2012-11-20
Wewnętrzne życie kwarków

Czy najmniejsze znane dziś cząstki materii kryją nowy, tajemniczy świat?

Wszechświat jest niezwykle skomplikowany.

Bez trudu poruszamy się w otaczającym nas powietrzu, ale ściana jest przeszkodą nie do pokonania. Wewnątrz Słońca jeden z pierwiastków ulega przemianie w inny, zapewniając naszej planecie obfitość ciepła i światła. Dzięki falom radiowym głos człowieka na Księżycu był słyszany na Ziemi, ale promieniowanie gamma może spowodować śmiercionośne zmiany w naszym DNA. Na pozór to zupełnie różne zjawiska, ale fizycy odkryli wiele reguł, które spajają je w wyrafinowaną i prostą teorię, zdolną na dodatek wyjaśnić dużo więcej. Mam na myśli Model Standardowy cząstek elementarnych, opisujący w szczególności oddziaływanie elektromagnetyczne, które sprawia, że ściana jest twarda, siły jądrowe odpowiadające za działanie reaktora, jakim jest Słońce, oraz fale elektromagnetyczne, które zależnie od długości są podstawą współczesnej komunikacji lub zagrożeniem dla zdrowia.

Model Standardowy to bez wątpienia jedna z najbardziej owocnych teorii, jakie kiedykolwiek powstały. Postuluje istnienie dwóch typów niepodzielnych cząstek: kwarków oraz leptonów. Kwarki różnego rodzaju są składnikami protonów i neutronów. Najbardziej znanym leptonem jest elektron. Biorąc odpowiednią kombinację kwarków i leptonów, można utworzyć wybrany atom, a idąc dalej – dowolny rodzaj materii we Wszechświecie. Cząstki materii spajają cztery oddziaływania: dwa z nich, grawitację i elektromagnetyzm, dobrze znamy. Mniej znane są oddziaływania jądrowe: silne i słabe. W trzech przypadkach oddziaływanie na odległość odbywa się dzięki wymianie jednej lub kilku cząstek zwanych bozonami. Dotychczasowe próby opisania grawitacji w języku mikroświata okazały się nieudane.

Model Standardowy nie odpowiada na wiele pytań. Dlaczego, na przykład, mamy cztery siły, a nie jakąś inną ich liczbę? Dlaczego mamy dwa typy cząstek elementarnych, a nie jeden spełniający wszystkie funkcje?

To z pewnością intrygujące problemy, ale uwagę moją, a także wielu innych fizyków, od dawna przyciąga inna zagadka. Model Standardowy przewiduje, że kwarki i leptony są niepodzielne. Mamy jednak wiele przesłanek, które skłaniają do podejrzeń, że jedne i drugie są zbudowane z mniejszych składników. Jeżeli jest prawdą, że kwarki i leptony nie są cząstkami elementarnymi i mają jakąś wewnętrzną strukturę, to konieczna okaże się poważna rewizja naszych teorii. Podobnie jak energia jądrowa była czymś zupełnie niewyobrażalnym do chwili, kiedy Ernest Rutherford odkrył strukturę atomu, tak samo odsłonięcie kolejnej warstwy subatomowej cebulki ujawni zjawiska, których istnienia dziś nie podejrzewamy.

Aby rozstrzygnąć tę kwestię, naukowcy muszą badać zderzenia cząstek o wielkiej energii. Od momentu odkrycia kwarków w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, nie zyskaliśmy żadnego narzędzia, które pozwalałoby zajrzeć do ich wnętrza. Dziś Wielki Zde­rzacz Hadronów (LHC – Large Hadron Collider) w CERN pod Genewą – ten sam, który niedawno pozwolił dostrzec ślady bozonu Higgsa, ostatniej niezbadanej cząstki w Modelu Standardowym – nabiera rozpędu i być może powie nam coś o strukturze kwarków.

Skąd tyle generacji?

pierwsze przesłanki wskazujące, że kwarki i leptony mogą mieć wewnętrzną strukturę, pojawiły się w związku z inną, wciąż nierozwiązaną zagadką, którą jest mnogość odkrytych rodzajów kwarków i leptonów. Protony i neutrony są zbudowane z dwóch typów kwarków – górnego i dolnego. Kwark górny ma ładunek 2/3, a kwark dolny ładunek −1/3. Chociaż te dwa rodzaje kwarków wraz z elektronami wystarczyłyby, aby opisać materię we Wszechświecie, zaobserwowano również inne kwarki. Kwark dziwny ma taki sam ładunek jak kwark dolny, ale jest od niego cięższy. Kwark niski jest jeszcze cięższy. Podobnie, kwark powabny jest cięższym kuzynem kwarka górnego. Rodzinę kwarków uzupełnia bardzo ciężki kwark wysoki. Fizycy zaobserwowali wszystkie te kwarki, z tym że cztery najcięższe żyją bardzo krótko i w ułamku sekundy rozpadają się na dwa najlżejsze.

Również elektron ma cięższych od siebie, nietrwałych krewniaków: mion i jeszcze cięższy taon; obydwa o takim samym ładunku jak elektron. Znaną nam menażerię uzupełniają trzy rodzaje neutrin, cząstek niezwykle lekkich i obojętnych elektrycznie.

Istnienie takiej obfitości obiektów nieuchronnie prowokuje fizyków do pytania: Dlaczego kwark górny, dolny i elektron mają tak wielu krewnych, skoro one same wystarczyłyby, aby zbudować materię we Wszechświecie? Do tego problemu nawiązuje chociażby często powtarzana anegdota, opisująca reakcję laureata Nagrody Nobla, fizyka Isidora Isaaca Rabiego [urodzonego w Rymanowie – przyp. redakcji] na wiadomość o odkryciu mionu: „A któż go zamawiał?”

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 12/2012 »
Drukuj »
Komentarze
Dodany przez: Prem | 2014-07-26
w tych teoriach nie uwzględnono ważnych elementów, które stanowią wiekszość masy Wszechświata, wiec dziwne by było, gdyby Model Standardowy odpowiadał na te pytania, "dlaczego".
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Zmyl trop to użyteczna, ale i pełna powabu oraz przekonująca, kieszonkowa esencja wszystkiego, co chcielibyście wiedzieć o obronie przed inwigilacją.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Don Lincoln | dodano: 2012-11-20
Wewnętrzne życie kwarków

Czy najmniejsze znane dziś cząstki materii kryją nowy, tajemniczy świat?

Wszechświat jest niezwykle skomplikowany.

Bez trudu poruszamy się w otaczającym nas powietrzu, ale ściana jest przeszkodą nie do pokonania. Wewnątrz Słońca jeden z pierwiastków ulega przemianie w inny, zapewniając naszej planecie obfitość ciepła i światła. Dzięki falom radiowym głos człowieka na Księżycu był słyszany na Ziemi, ale promieniowanie gamma może spowodować śmiercionośne zmiany w naszym DNA. Na pozór to zupełnie różne zjawiska, ale fizycy odkryli wiele reguł, które spajają je w wyrafinowaną i prostą teorię, zdolną na dodatek wyjaśnić dużo więcej. Mam na myśli Model Standardowy cząstek elementarnych, opisujący w szczególności oddziaływanie elektromagnetyczne, które sprawia, że ściana jest twarda, siły jądrowe odpowiadające za działanie reaktora, jakim jest Słońce, oraz fale elektromagnetyczne, które zależnie od długości są podstawą współczesnej komunikacji lub zagrożeniem dla zdrowia.

Model Standardowy to bez wątpienia jedna z najbardziej owocnych teorii, jakie kiedykolwiek powstały. Postuluje istnienie dwóch typów niepodzielnych cząstek: kwarków oraz leptonów. Kwarki różnego rodzaju są składnikami protonów i neutronów. Najbardziej znanym leptonem jest elektron. Biorąc odpowiednią kombinację kwarków i leptonów, można utworzyć wybrany atom, a idąc dalej – dowolny rodzaj materii we Wszechświecie. Cząstki materii spajają cztery oddziaływania: dwa z nich, grawitację i elektromagnetyzm, dobrze znamy. Mniej znane są oddziaływania jądrowe: silne i słabe. W trzech przypadkach oddziaływanie na odległość odbywa się dzięki wymianie jednej lub kilku cząstek zwanych bozonami. Dotychczasowe próby opisania grawitacji w języku mikroświata okazały się nieudane.

Model Standardowy nie odpowiada na wiele pytań. Dlaczego, na przykład, mamy cztery siły, a nie jakąś inną ich liczbę? Dlaczego mamy dwa typy cząstek elementarnych, a nie jeden spełniający wszystkie funkcje?

To z pewnością intrygujące problemy, ale uwagę moją, a także wielu innych fizyków, od dawna przyciąga inna zagadka. Model Standardowy przewiduje, że kwarki i leptony są niepodzielne. Mamy jednak wiele przesłanek, które skłaniają do podejrzeń, że jedne i drugie są zbudowane z mniejszych składników. Jeżeli jest prawdą, że kwarki i leptony nie są cząstkami elementarnymi i mają jakąś wewnętrzną strukturę, to konieczna okaże się poważna rewizja naszych teorii. Podobnie jak energia jądrowa była czymś zupełnie niewyobrażalnym do chwili, kiedy Ernest Rutherford odkrył strukturę atomu, tak samo odsłonięcie kolejnej warstwy subatomowej cebulki ujawni zjawiska, których istnienia dziś nie podejrzewamy.

Aby rozstrzygnąć tę kwestię, naukowcy muszą badać zderzenia cząstek o wielkiej energii. Od momentu odkrycia kwarków w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, nie zyskaliśmy żadnego narzędzia, które pozwalałoby zajrzeć do ich wnętrza. Dziś Wielki Zde­rzacz Hadronów (LHC – Large Hadron Collider) w CERN pod Genewą – ten sam, który niedawno pozwolił dostrzec ślady bozonu Higgsa, ostatniej niezbadanej cząstki w Modelu Standardowym – nabiera rozpędu i być może powie nam coś o strukturze kwarków.

Skąd tyle generacji?

pierwsze przesłanki wskazujące, że kwarki i leptony mogą mieć wewnętrzną strukturę, pojawiły się w związku z inną, wciąż nierozwiązaną zagadką, którą jest mnogość odkrytych rodzajów kwarków i leptonów. Protony i neutrony są zbudowane z dwóch typów kwarków – górnego i dolnego. Kwark górny ma ładunek 2/3, a kwark dolny ładunek −1/3. Chociaż te dwa rodzaje kwarków wraz z elektronami wystarczyłyby, aby opisać materię we Wszechświecie, zaobserwowano również inne kwarki. Kwark dziwny ma taki sam ładunek jak kwark dolny, ale jest od niego cięższy. Kwark niski jest jeszcze cięższy. Podobnie, kwark powabny jest cięższym kuzynem kwarka górnego. Rodzinę kwarków uzupełnia bardzo ciężki kwark wysoki. Fizycy zaobserwowali wszystkie te kwarki, z tym że cztery najcięższe żyją bardzo krótko i w ułamku sekundy rozpadają się na dwa najlżejsze.

Również elektron ma cięższych od siebie, nietrwałych krewniaków: mion i jeszcze cięższy taon; obydwa o takim samym ładunku jak elektron. Znaną nam menażerię uzupełniają trzy rodzaje neutrin, cząstek niezwykle lekkich i obojętnych elektrycznie.

Istnienie takiej obfitości obiektów nieuchronnie prowokuje fizyków do pytania: Dlaczego kwark górny, dolny i elektron mają tak wielu krewnych, skoro one same wystarczyłyby, aby zbudować materię we Wszechświecie? Do tego problemu nawiązuje chociażby często powtarzana anegdota, opisująca reakcję laureata Nagrody Nobla, fizyka Isidora Isaaca Rabiego [urodzonego w Rymanowie – przyp. redakcji] na wiadomość o odkryciu mionu: „A któż go zamawiał?”