Kolor, dziwność, powab – poznajemy kwarki!

schemkwarkiZdobywania wiedzy o cząstkach elementarnych ciąg dalszy. Jeżeli lecisz zgodnie z polecaną przeze mnie kolejnością (patrz: Dydaktyka), bardzo mi miło. 🙂 Jeżeli nie, nie szkodzi – wydaje mi się, że poradzisz sobie i bez tego. Warto jednak temat ogarnąć całościowo, skoro trafiłeś aż tutaj. 🙂

W przypadku kwarków jest o tyle śmiesznie, że nie tak rzadkie w chemii, kretyńskie nazewnictwo, osiąga apogeum. W tytule chciałem zawrzeć mały przedsmak tego, jak dziwacznych terminów możemy się spodziewać. Ciekawyś? Spójrz poniżej!

Wiemy o istnieniu 6 różnych kwarków, które – podobnie jak leptony – dzielimy na III generacje. Najważniejsze oddziaływanie, jakiemu podlegają kwarki, to oddziaływanie silne (któremu poświęcony będzie osobny artykuł). Bezpośrednim skutkiem tego oddziaływania jest to, że kwarki łączą się w większe zespoły, zwane hadronami (coś niecoś o tym wspominałem). Mało tego, kwarki nie mogą istnieć oddzielnie! To znaczy, że nie da rady zaobserwować w żaden sposób pojedynczego kwarka. O tym, dlaczego kwarki występują tylko w zespołach (czy to nie urocze?!), dowiesz się później. Teraz przyjrzyjmy się tabeli, w której zestawiłem wszystkie najważniejsze właściwości kwarków:

tabelakwarki

Oprócz nazw polskich zdecydowałem się wrzucić też te angielskie, z prostego powodu. Skróty literowe pochodzą właśnie od angielskich nazw kwarków, a ponieważ nie są to zbyt skomplikowane słowa (no naprawdę), łatwiej jest powiązać symbol z polską nazwą i go zwyczajnie zapamiętać.

Ładunek elektryczny kwarków może Ci się wydawać dziwaczny: $+\frac23$ lub $-\frac13$? Już tłumaczę, dlaczego. Wspominałem już, że gdy odkryto protony, neutrony i elektrony, badacze byli przekonani, że odkryli najmniejsze i niepodzielne cząstki. Jako ładunek elementarny (czyli najmniejszy możliwy) przyjęto ładunek elektronu, ładunek protonu jest mu równy, co do wartości, ale ma przeciwny znak (jest dodatni, a nie, tak jak w przypadku elektronu, ujemny). Ładunek elementarny zakorzenił się w literaturze i umysłach fizyków i chemików. A tu tragedia – odkryto kwarki i stwierdzono, że mają one ładunki o mniejszej wartości, niż ładunek elementarny! Ładunek elektronu stał się wygodnym punktem odniesienia w bardzo wielu dziedzinach fizyki i chemii, dlatego zdecydowano się podzielić ładunki kwarków i wyrażać je w ułamkach.

Jak widzisz, ani ładunek elementarny (elektryczny), ani niektóre cząstki elementarne, tak naprawdę elementarne wcale nie są. Cóż poradzić. W przypadku ładunku elektrycznego jest jednak nieco inaczej. Udowodniono istnienie kwarków i fakt, że każdy z nich (osobno) ma ładunek odpowiadający ułamkowi ładunku elementarnego. Kwarki nie występują jednak osobno, a każda istniejąca struktura wielokwarkowa ma całkowity ładunek elektryczny równy wielokrotności ładunku elementarnego (lub zerowy). Uf, co za szczęście. 🙂

Ładunek kolorowy to bardzo ważna sprawa. Czasami mówi się, że kwark ma po prostu kolor. Nie lubię tego pojęcia, ponieważ nasuwa przypuszczenie, że kwarki faktycznie mają jakieś kolory. Bzdura! Zamiast tego mówię więc o ładunku kolorowym. Nazwano go tak a nie inaczej, ponieważ aby zrozumieć, jak on działa, najłatwiej jest odnieść się do kolorów, które oglądamy na co dzień. Ładunek kolorowy kwarków to przyczyna, dla których oddziałują one silnie (tzn., że występuje między nimi oddziaływanie silne). Kwarki mogą mieć jeden z trzech ładunków kolorowych: czerwony (R), zielony (G) lub niebieski (B). Dany ładunek kolorowy nie jest jednak przypisany do konkretnego rodzaju kwarka, stąd „R/G/B” w tabelce. Ponieważ artykuły na >3000 słów nikomu się nie uśmiechają (też chciałbym mieć życie…), o ładunku kolorowym rozpiszę się dokładnie w artykule o oddziaływaniu silnym i jego nośnikach – gluonach.

Masa kwarków jest problemem dość złożonym. W zasadzie wystarczy wiedzieć, że są one cięższe od leptonów z tej samej rodziny materii, ale jeżeli jesteś bardzo ciekawski… 🙂

Ponieważ, jak wspomniałem, kwarki nigdy nie występują samodzielnie, nie jest możliwy bezpośredni pomiar masy tych cząstek. Naukowcy nigdy nie przestaną jednak nas zadziwiać – wymyślili niejeden sposób, by wyrazić masę kwarków (nie jeden, bo dwa). Wyróżniamy wobec tego dwa rodzaje masy kwarków:

  • Masa konstytuentna to masa wyznaczona w trochę szkolny sposób. Proton i neutron to, mam nadzieję, cząstki Tobie znane (jeśli nie, musisz chwilę poczekać, zanim do nich dojdziemy). Tak czy siak naukowcom są znane bardzo dobrze. Wiemy, że proton jest zbudowany z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego $(uud)$, neutron natomiast – jednego górnego i dwóch dolnych $(udd)$. Wiemy też, że i proton i neutron mają bardzo podobne masy. Wobec tego możemy przyjąć, że zarówno kwark górny, jak i dolny, mają w przybliżeniu tę samą masę. Idąc tym tropem masę konstytuentną kwarków I rodziny wyznaczono jako $\frac13$masy neutronu. Masy konstytuentne pozostałych kwarków wyznaczono w oparciu o masy znanych, ciężkich barionów.
  • Masa prądowa kwarków wyznaczona jest w inny, chyba nieco bardziej poważny sposób. 🙂 W akceleratorach cząstek (czyli układach, takich jak np. w CERN-ie, gdzie cząstki są przyspieszane do ogromnych prędkości – czyli uzyskują ogromną energię kinetyczną) możliwe jest oddzielenie kwarków od otaczającej je chmury gluonów. O co chodzi? W skrócie: gluony, jako nośniki oddziaływań silnych, otaczają kwarki (i to tak całkiem konkretnie). W akceleratorze jesteśmy jednak w stanie wyrwać na chwilę kwark z otoczenia pola sił kolorowych – czyli tak naprawdę z otoczenia gluonów. Mówimy wtedy o tak zwanym gołym kwarku. Jego goła masa, czyli właśnie masa prądowa (po prostu tak nazwana) jest znacznie mniejsza od masy konstytuentnej. Okazuje się, że gdy kwark oddziałuje kolorowo, jego masa jest znacznie większa! Wyrwany z pola sił kolorowych (ogromną energią i tylko na chwilkę :)) traci znaczną część swojej masy. O ile w ten sposób faktycznie mierzymy masę kwarku (nie posługujemy się metodą godną trzynastolatka), to nie jest to zbyt miarodajna wielkość, ponieważ kwarki na co dzień nie są wyrywane z pola sił kolorowych – masę prądową wykorzystujemy więc do opisu kwarków w akceleratorach, nie w stanie związanym, gdy budują bardziej złożone struktury.

Liczba barionowa to pewien odpowiednik poznanej przez nas liczby leptonowej. Każdy kwark ma liczbę barionową równą $+\frac13$. Dlaczego? Każdy lepton miał liczbę leptonową $+1$(jeżeli nie pamiętasz, w jakim celu ją wprowadzono, wróć do artykułu o leptonach). Kwarki nie występują pojedynczo, więc pojęcie liczby kwarkowej nie ma żadnego sensu. Istnieją jednak wspomniane przeze mnie bariony – trzykwarkowe struktury. Wydaje mi się logiczne, że barion powinien mieć liczbę barionową równą $+1$ co sprawia, że każdy kwark ma liczbę barionową równą $+\frac13$(przypada na niego jedna trzecia liczby całego barionu). Antykwarki z kolei mają liczbę barionową równą $-\frac13$. Istnieje zasada zachowania liczby barionowej.

Kwarki, podobnie jak leptony, mają cechę zwaną zapachem. Zapach, czyli wielkość kwantowa (wielkość wykorzystywana w fizyce i chemii kwantowej), to odpowiednia liczba odzwierciedlająca rodzaj (nazwę) kwarku. W przypadku kwarków jest jednak trochę inaczej, niż z leptonami. Nie mówimy więc o jakieś kwarkowej liczbie zapachowej, a o cesze odpowiadającej danemu kwarkowi, to znaczy:

  • Ponieważ mamy sobie kwark dziwny, wyróżniamy cechę kwantową zwaną dziwnością. Kwark i antykwark dziwny mają niezerową dziwność, pozostałe cząstki fundamentalne nie wykazują dziwności (ich dziwność jest równa zero). Kretynizm, prawda? 😀
  • Jest też sobie kwark powabny. Jego zapach to właśnie powab.  Kwark i antykwark powabny mają niezerowy powab, pozostałe cząstki fundamentalne – wykazują powab równy 0.

Domyślasz się pewnie, że w ten sam sposób wyróżniamy odpowiednio górnośćdolnośćwysokość oraz niskość kwarków. Nie wiem, jak dla Ciebie, ale dla mnie brzmi to trochę głupio (co nie oznacza, że jest to niepraktyczne)! Ponieważ nie jest to dla nas specjalnie ważne, temat możemy pominąć, jednak czego nie robi się na prośbę czytelników! 🙂

Co ciekawe, nie jest tak, że każdy kwark ma odpowiadający sobie zapach równy $+1$. Kwarki o ładunku elektrycznym $q=+\frac23$mają odpowiadający sobie zapach równy $+1$, kwarki o ładunku $q=-\frac13$zapach równy $-1$. Co więcej,  zapachy oznaczamy podobnie jak odpowiadające im kwarki (skrót literowy), z tym że używamy do tego wielkiej litery. Stąd na przykład kwark dziwny $(s)$ma zapach $S=-1$. Antykwarki mają zapach równy co do wartości, ale o przeciwnym znaku w porównaniu z odpowiadającymi sobie kwarkami. Tak np. antykwark dolny (= kwark antydolny = $\overline{d}$) ma zapach $D=+1$.

Warto wiedzieć, że np. dziwność kwarku, jako nazwa, nie wzięła się znikąd. Cząstki zbudowane z kwarków lub antykwarków dziwnych nazywamy cząstkami dziwnymi (całe to nazewnictwo jest jakieś dziwne). Dlaczego? Ano dlatego, że biorąc pod uwagę sporą masę tych cząstek (wynikającą przede wszystkim z masy samego kwarku dziwnego), wykazują one niespodziewanie wysoką, można powiedzieć, dziwnie wysoką trwałość. Takie cząstki to np. kaony (mezony K), bariony $\Omega$i tak dalej… Czy jednak kwark powabny rzeczywiście ma coś wspólnego z powabem? Pozostawiam to Twojej wyobraźni… ;D

Wierzcie mi, tekst: jesteś powabna jak kwark powabny i wszystkie mu podobne nie działają! Przynajmniej tak słyszałem… Ekhem… Właśnie osiągnąłem nowy poziom dna.

O kwarkach to chyba wszystko. A przynajmniej wszystko, co najważniejsze. 🙂 Dowiesz się o ich naturze, czytając artykuł o oddziaływaniu silnym. Mam nadzieję, że wyczerpałem Twoją ciekawość. Jeżeli nie, pytaj w komentarzu! 🙂

 

Zadania do domu

  1. W oparciu o tabelę zestawiającą najważniejsze właściwości kwarków sporządź analogiczną wersję dla 6 antykwarków. Jeżeli masz problem z którąś z kolumn, poszukaj danych w Internecie (lub literaturze).
  2. Pewnie zauważyłeś, że kwarki III generacji (III rodziny) mają wymienione dwie nazwy. To jednak nie wszystkie! Spróbuj odszukać jeszcze przynajmniej po 2 nazwy dla każdego z nich, które pojawiały się w literaturze (również popularnonaukowej). Jak myślisz, z czego może wynikać tak różnorodne nazewnictwo i jak zapobiegać nieporozumieniom?
  3. Wiadomo, że kwarki łączą się w większe zespoły. Jak myślisz, czy zespoły te mogą mieć dowolną strukturę (skład ilościowy i jakościowy)? Spróbuj przewidzieć, jakie są najprostsze z nich, a potem postaraj się je nazwać (skorzystaj ze źródeł dostępnych w Internecie). Wskazówka: struktury wielokwarkowe mają zawsze całkowitą liczbę barionową B.

Pokaż rozwiązania

Rozwiązania

  1. Tabela powinna wyglądać następująco:
    tabelaantykwarki
  2. Kwark szczytowy $t$nazywany jest także prawdziwym, wysokim oraz wierzchnim. Kwark denny $b$ nazywany jest także pięknym, niskim oraz spodnim. Tak ogromny bałagan wynika z kilku przyczyn. W chemii (i fizyce cząstek elementarnych) zwyczajowo prawo do nazwania nowo odkrytej cząstki (lub np. pierwiastka) ma jej/jego odkrywca. Co jednak dzieje się wtedy, gdy ośrodki naukowe kłócą się jak małe dzieci o to, kto był pierwszy lub podważają wiarygodność wcześniej dokonanego odkrycia? Właśnie to, co widać. Mało oficjalnie mówi się też, że z nazw piękny i prawdziwy zrezygnowano dlatego (podobno były pierwsze), że są po prostu zbyt idiotyczne. Tak czy siak, może to być powodem poważnych nieporozumień. Żeby ich uniknąć, warto sięgnąć po coraz bardziej powszechne określenia kwark t oraz kwark b. Krótko mówiąc, kiedy w nazwach robi się bajzel, warto sięgnąć po symbole i na nich poprzestać. Przynajmniej moim zdaniem. 🙂
  3. Nie ma sensu specjalnie spoilować (tym bardziej, że proste struktury wielokwarkowe nie są żadną tajemnicą). Tok rozumowania prowadzący do konstruktywnych wniosków przedstawię na filmie dołączonym poniżej.

Problem z zadaniem domowym? Potrzebujesz dodatkowych wyjaśnień? Już niebawem znajdziesz tutaj filmik video, dzięki któremu zadania rozwiążemy razem, krok po kroku. Zaglądaj regularnie!