Fizyka!

[Mordoklapow]

Cząstki Elementarne, model standardowy, kwarki, skwarki i leptony.

Prawdopodobnie jesteście świadomi, że materia składa się z atomów. Sama nazwa pochodzi z greckiego słowa atomos - niepodzielny. Jednak, jak się okazało jakiś czas temu, nie jest to do końca prawda. Atomy można bowiem dzielić, i nawet robimy to w skali przemysłowej (Czarnobyl jest jednak przykładem, że jednak nie zawsze robimy to dobrze). Możemy to robić, ponieważ składają się one z nukleonów, które mimo że bardzo lubią zbierać się do kupy i tworzyć jądro atomowe, to przy odpowiedniej energii możemy rozdzielać.

Jednak rozwalanie jąder atomów to dla zawsze głodnych wiedzy i wybuchów fizyków za mało. Zadali więc sobie oni pytanie: Czy nukleony lub elektrony składają się z czegoś mniejszego? Może w środku siedzi coś o jeszcze mniejszej masie?
Pod naporem tychże pytań powstał model standardowy. Jest to teoria, klasyfikująca tzw. cząstki elementarne (czyli najmniejsze składniki materii jakie znamy) i opisująca ich zachowanie.

Cząstki elementarne dzieli się na dwie grupy - leptony i kwarki. Podstawową różnicą między nimi jest ich zdolność do oddziaływania silnego - czyli oddziaływania które trzyma w kupie jądro atomu. Dobrze znanym leptonem jest elektron, który jak wiemy, woli latać dokoła zachowując się jak dzieciak z ADHD nie umiejąc usiedzieć w miejscu jak na porządną cząstkę przystało.
Kwarki jednak bardzo lubią oddziaływać silnie, i to do tego stopnia, że prawie nigdy nie występują same. Zazwyczaj łączą się - po dwa lub po trzy - tworząc hadrony (Wielki zderzacz hadronów? Coś wam to mówi?).

Generalnie nie można mówić o cząstkach elementarnych, nie wspominając o czterech oddziaływaniach fundamentalnych. Dwa z nich znacie już od przedszkola, jeden od przed chwili, a czwartego w ogóle:

1. Grawitacja. Tej siły nie trzeba chyba nikomu przedstawiać. Bardzo słaba siła, działa jednak na dalekie odległości, głównie dlatego że nie uśrednia się. W skali atomowej nie ma absolutnie żadnego znaczenia.

2. Siła elektromagnetyczna. Warunkiem jej istnienia jest posiadanie ładunku. Znacie prawo Kulomba? Cóż, tak naprawdę nic się nie zmieniło, to nadal dokładnie ta sama siła. W skali atomowej ma ona kluczowe znaczenie - dzięki niej elektrony trzymają się jąder atomowych tworząc orbity elektronowe, powstają cząsteczki czy sieci krystaliczne. Żeby uzyskać odpowiednie porównanie z siłą grawitacji, pomyślmy jaki jest stosunek siły grawitacyjnej do elektrostatycznej między dwoma protonami. Jako że nie chce mi się męczyć z LaTeX'em, i chyba każdy jest ten rachunek wykonać samodzielnie, podam tylko wynik: ok. 10^-39.
Dlaczego więc w astronomii uwzględnia się siłę grawitacji? Głównie przez fakt, że ładunków dodatnich jest prawie tyle samo co ujemnych, więc wypadkowy ładunek się uśrednia - Ziemia, Słońce i inne ciała niebieskie są nienaładowane.

3. Oddziaływanie silne. Spaja kwarki by tworzyły hadrony i nukleony (protony i neutrony) by tworzyły jądro atomowe. Bardzo duże siły, jednak działają dla bardzo małych odległości.

Takie ładniusie cusie można dostać, uwalniając energię zawartą w oddziaływaniach silnych.

4. Oddziaływania słabe - najbardziej "mistyczne", bowiem normalni, zdrowi psychicznie ludzie nie mają codziennego kontaktu z takowymi. Oddziałują w ten sposób wszystkie cząstki elementarne. To za ich pośrednictwem zachodzi rozpad promieniotwórczy beta oraz - jak się później okaże - znacznie więcej innych, nie mniej ciekawych rozpadów. Działa na jeszcze mniejszych dystansach niż oddziaływanie silne.

Bestiariusz
Czyli pomówmy o cząstkach i cząsteczkach

Zacznijmy od leptonów. Pozwolę sobie przypomnieć, że są to takie misie, co nie oddziałują silnie. Leptony możemy podzielić na dwie grupy: zawierający ładunek, lub nie. Obie z powyższych grup mają po trzy zapachy (ang. flavour). Są to elektron, mion i taon.
Ten pierwszy został poznany jako pierwszy, znamy go chyba od początku XX wieku. Drugi został odkryty w przychodzącym do nas promieniowaniu kosmicznym. Jest cięższy niż elektron. Trzeci, najcięższy - taon - znany jest od niedawna, i najpierw został przewidziany teoretycznie, a dopiero potem jego istnienie udowodniono doświadczalnie. Nie zaobserwowano go jednak bezpośrednio, gdyż ma czas życia wynoszący 10^-13 sekundy. Po tym czasie rozpada się (na kwarki i lżejsze leptony), i właśnie w ten sposób sprawdzono jego istnienie, gdyż miał odpowiednie produkty rozpadu.

Diagram pokazujący rozpad taonu. Jeszcze go nie rozumiecie, ale nie jest to powód do zmartwień.

Mamy więc leptony naładowane, trzy zapachy. Odpowiadają im 3 leptony elektrycznie obojętne - neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe. Prawda że proste?
No, powiedzmy. Neutrina bywają kłopotliwe - nie oddziałują ani silnie, ani elektromagnetycznie. Dopiero dość niedawno udowodniono, że mają masę. Poza tym zachowują się bardzo dziwnie, każde neutrino jest po części neutrinem elektronowym, po części mionowym i po części taonowym, co więcej stosunki tych zapachów zmieniają się w czasie. Za doświadczalne udowodnienie tej teorii w 2015 roku została przyznana nagroda nobla. Efekt ten nazywany jest oscylacją neutrin.

Ale to nie wszystkie znane leptony. Pewnie się zastanawiacie, co jeszcze? Możliwe, że słyszeliście kiedyś o antymaterii. Jak się okazuje, każdy lepton posiada swoją antycząstkę, tzn. istnieje antyelektron (pozytonem czasem zwany), antymion i antytaon. Mają one masy równe swoim antycząstkom i przeciwne ładunki (tzn. +1). No, i poruszają się wstecz w czasie.
Istnieją także antycząstki neutrin - antyneutrino elektronowe, antyneutrino mionowe i antyneutrino taonowe.

Cząstka i antycząstka mogą ze sobą spiknąć (sztywniaki nazywają to anihilacją), jednak jest to znacznie mniej trywialny proces niż się większości ludzi wydaje - przede wszystkim, nie przy każdej energii anihilacja nastąpi. Zawsze musi istnieć produkt owej reakcji. Czasem jest to kwant gamma (promieniowanie elektromagnetyczne, inaczej mówiąc foton) lub bozon Z (analog fotonu dla oddziaływań słabych).

KWARKI
Następną ważną grupą cząstek elementarnych są kwarki - cząstki oddziałujące silnie. Wyróżniamy 6 kwarków (+6 odpowiednich antykwarków rzecz jasna, świat bez antymaterii byłby nudny). Dwa pierwsze z nich - górny (up) i dolny (down) powstały koncepcyjnie jako pierwsze. Idea jest bardzo prosta: kwark u ma ładunek 2/3, a kwark d ma ładunek -1/3. Proton to zlepek kwarków uud, a neutron kwarków udd. Oba mają bardzo podobną masę, czyli ok. 0.31 masy neutronu - reszta zawarta jest w energii wiązania.
Oprócz tychże kwarków mamy jeszcze kwark dziwny (strange), powabny (charm), wysoki (top) i niski (bottom). Generalnie słyszałem chyba z 7 różnych tłumaczeń ostatnich dwóch nazw kwarków, jakoś polscy fizycy nie mogą się odnośnie tego dogadać. Najlepiej operować nazwami angielskimi, w szczególności że ich skróty pochodzą właśnie od pierwszych liter owych nazw.

Pierwszy z tych 4 ostatnich kwarków zaobserwowany został w promieniowaniu kosmicznym w latach 50', czyli jeszcze przed powstaniem teorii kwarków. Dlatego nazywa się go "dziwnym", gdyż w tamtych czasach słowo to dobrze opisywało to jego właściwości. Pozostałe tworzone były wraz z powstawaniem modelu standardowego. Generalnie oprócz faktu istnienia czegoś takiego jak kwarki, nie ma w nich specjalnie dużo ciekawych rzeczy. Są pewne niezmienniki które muszą być zachowanie (np. dziwność) ale o nich napiszę kiedy indziej.

Główny twórca teorii kwarków, M. Gell-Mann próbuje wytłumaczyć głupim studentom fizykę kwantową.

W latach 50' w głowach niektórych fizyków (w tym słynnego celebryty Richarda Feynmana) zaświtała pewna bardzo subtelna, misterna i w pewien tajemniczy sposób złożona myśl:
WSZYSTKO JEST SKWANTOWANE I WOLNIEJSZE NIŻ ŚWIATŁO. CHOLERNE POLA SIŁ TEŻ.
Połączenie fizyki kwantowej, ogólnej teorii względności i teorii pola wydawało się być bardzo dobrym pomysłem. Tylko jak to zrobić? Jak to osiągnąć? Skoro fizyka kwantowa mówi, że cząstki są polami prawdopodobieństwa, to może inne pola - grawitacyjne lub elektromagnetyczne - pochodzą od jakichś cząstek? Istnieje swoista antyanalogia...

I tak narodził się bozon cechowania.
Ale o tym kiedy indziej.

PS. Skwarki to nie żart, istnieje teoria o nich mówiąca.