Koncepcja kwarków. referat.doc

W latach 30-tych ustalono, że jądra atomowe nie są obiektami elementarnymi. Tworzą je dodatnio naładowane protony i neutralne neutrony. Całe więc bogactwo przyrody zawdzięczamy zaledwie trzem elementom – protonom i neutronom oraz elektronom. Jednak na początku lat 60-tych stało się jasne, że protony i neutrony, noszące wspólną nazwę nukleony, także nie są naprawdę elementarne. Są bowiem rozciągłe, a w ich wnętrzach coś grzechocze, czego jednak wydzielić nie sposób. Ponadto, prawdziwie elementarnych składników materii powinno być niewiele – kilka, kilkanaście, a w zderzeniach rozpędzonych jąder atomowych powstawały setki rodzajów cząstek podobnych do nukleonów, a zwanych hadronami.

W 1964 roku M. Gell-Mann i G. Zweig niezależnie od siebie wykazali, że wszystkie znane hadrony można przedstawić jako tworzone przez bardziej elementarne składniki,
które Gell-Mann nazwał kwarkami, a Zweig asami. (ciekawostka: nazwa Gell-Manna pochodzi z utworu Joyce’a Ślad Finnegana: „Three quarks for Muster Mark!” – „Trzy kwarki dla Muster Mark!”. Została powszechnie przyjęta ze względu na jej literackie korzenie). Hadrony zbudowane są albo z trzech kwarków, jak nukleony, lub z kwarka i antykwarka.

Koncepcja Gell-Manna i Zweiga była prawdziwie rewolucyjna. Zakładała ona,
że kwarki, których początkowo znano jedynie trzy (a obecnie sześć typów), mają ładunek elektryczny równy, zależnie od rodzaju, 1/3 bądź 2/3 ładunku elektronu. Pomiary prowadzone od roku 1910 niezmiennie pokazywały, że w przyrodzie występują jedynie ładunki będące wielokrotnością ładunku elektronu. Sprzeczność tę udało się (choć nie do końca) wyjaśnić na gruncie niezwykle pięknej teorii tzw. chromodynamiki kwantowej. Powołała ona go życia jeszcze jeden rodzaj cząstek – gluony, które niczym klej (ang. glue) wiążą kwarki w hadrony. Nadała też kwarkom pewną szczególną cechę – kolor (stąd chromodynamika).

DEFINICJA KWARKÓW I ICH WŁASNOŚCI

Kwarki (symbol: q) – fundamentalne cząstki elementarne oddziałujące silnie
(silne oddziaływanie) oraz słabo (słabe oddziaływanie) i elektromagnetycznie (oddziaływania fizyczne); podstawowe składniki mezonów i barionów; są fermionami o spinie ½
(w jednostkach stałej Plancka), posiadają ułamkowe ładunki elektryczne (w jednostkach ładunku elementarnego).

Istnieje sześć rodzajów kwarków zwanych zapachami (flavour):

-          u (górny – up),

-          d (dolny – down),

-          s (dziwny – strange),

-          c (powabny – charm),

-          b (spodni – bottom lub piękny – beauty)

-          t (prawdziwy – true lub szczytowy – top).

Wyróżnia się trzy generacje kwarków, tworzą je parami: u i d, c i s, oraz t i b.

Kwarki: d, s i b mają ładunek -1/3e) oraz u i c (o ładunku +2/3 e). Odpowiednie antykwarki mają przeciwny znak ładunku elektronu: d, s, b - ładunek +1/3 e oraz u i c - ładunek -2/3 e.

Przewiduje się, ze względu na symetrię między kwarkami i leptonami, istnienie szóstego kwarku t, o ładunku +2/3 e (1994 uzyskano wstępne dane o istnieniu kwarku t o masie
ok. 175GeV). Podobnie do leptonów kwarki biorą udział w oddziaływaniach słabych,
które mogą przeprowadzać jedne kwarki w drugie (zmiana zapachu; np. w rozpadzie b - neutronu jeden z kwarków d wchodzących w skład neutronu przekształca się w kwarek u, emitując przy tym elektron i antyneutrino).

Oddziaływanie między kwarkami występuje dlatego, że są one obdarzone pewną nową właściwością, zw. ładunkiem kolorowym lub - kolorem (termin kolor jest stosowany umownie). Ładunek kolorowy każdego kwarku może przybierać 3 różne wartości.
Przyjęto mówić, że "kolor" każdego kwarku może być "czerwony", "niebieski" lub "zielony" (antykwarki niosą "antykolor", a więc mogą być: "antyczerwone", "antyniebieskie"
i "antyzielone"). Oddziaływania między "kolorowymi" kwarkami, przenoszone przez "kolorowe" gluony, próbuje się opisywać za pomocą formalizmu chromodynamiki kwantowej, teorii budowanej na wzór elektrodynamiki kwantowej, która opisuje oddziaływanie ładunków elektrycznych.

Właściwości wszystkich znanych hadronów można wyjaśnić, przyjmując że bariony
są układami 3 kwarków (antybariony - układami 3 antykwarków), mezony zaś - układami kwark-antykwark. Oprócz wymienionych kwarków, zw. walencyjnymi, w hadronach występują także gluony i tzw. morze par kwarki-antykwarki. Wszystkie te składniki hadronów nazywa się też partonami.

Siły między kolorowymi ładunkami kwarków rosną ze wzrostem odległości, dlatego
też próba odseparowania kwarków od siebie powoduje jedynie wzrost energii pola kolorowego między nimi. Gdy energia ta przekracza pewną wartość, to może na jej koszt zostać wyprodukowana nowa para kwark-antykwark (w ten sposób są produkowane nowe hadrony). Tę niemożliwość odseparowania pojedynczego kwarka nazywa się uwięzieniem "koloru", czyli inaczej niemożność zaobserwowania swobodnych kwarków, a jedynie
ich występowanie w stanach związanych, neutralnych kolorowo (takich jak właśnie hadrony). Zatem kolorowe kwarki są składnikami doskonałymi – tylko jako składniki, nie zaś samoistne obiekty, mogą występować. Z tego też powodu ich ułamkowy ładunek elektryczny przestaje być okolicznością obciążającą, gdyż nie można go wyodrębnić.

Hadrony jako całość nie wykazują ładunku kolorowego, gdyż ładunki kolorowe składających się na nie kwarków walencyjnych neutralizują się. Mówi się, że hadrony są "białe".
Tę "białość" daje w mezonach zmieszanie "koloru" z odpowiednim "antykolorem",
a w barionach - zmieszanie równych proporcji "kolorów": "czerwonego", "niebieskiego"
i "zielonego" (analogia z optyką jest czysto formalnym opisem neutralizacji ładunków kolorowych).

Sondując hadrony punktowymi leptonami można badać ich strukturę, tzn. rozkłady poszczególnych partonów. Posługując się pojęciem kwarki można opisać oddziaływania hadronów z hadronami i produkcję hadronów w anihilacji elektronów z pozytonami.

KALENDARIUM

* Kwarkowy model hadronów zaproponowali 1964 M. Gell-Mann i G. Zweig.

* W 1967-73 J. Friedman, H. Kendal i R. Taylor przeprowadzili w ośr. badawczym Stanford Linear Accelerator Center serię eksperymentów, które potwierdziły kwarkową strukturę nukleonów.

* W 1974 odkryto nową cząstkę (mezon J/Ψ), właściwości jej rozpadu mogły być wyjaśnione przy założeniu, że jest układem zbudowanym z nowych, dotychczas nie znanych kwarków c
i anty-c.

* Analogicznie odkryto w 1977 kwark b.

* Doświadczalne potwierdzenie istnienia kwarków uhonorowano w 1990 roku Nagrodą Nobla (H.W. Kendall, J.F. Friedman, R.E. Taylor).

* W 1995 ostatecznie uzyskano dane o istnieniu szóstego kwarku t (top) o ładunku +2/3
i masie ok. 173,8 GeV/c ².

CIEKWAOSTKI

Co się stanie, jeśli jądro atomowe ścisnąć tak mocno, że nukleony zaczną wchodzić
na siebie?

Gdy gęstość będzie odpowiednio wysoka nukleony zanikną, uwalniając ze swych wnętrz kwarki i gluony. Uzyskamy wtedy plazmę kwarkowo-gluonową. Okazuje się,
że taka plazma powstaje nie tylko przez ściskanie materii jądrowej, lecz również przez jej podgrzewanie. Rzecz w tym że na skutek dostarczania ciepła, rodzą coraz to nowe hadrony
i w pewnym momencie panuje, jak przy ściskaniu, tak ogromny tłok, że materia hadronowa zamienia się w plamę.

Jest sprawą oczywistą, że po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat był bardzo mały
i gorący, materia go wypełniająca była właśnie w postaci plazmy kwarkowo-gluonowej.
Gdy potężne gwiazdy wypaliwszy swe jądrowe paliwo zapadają się pod naciskiem siły grawitacji, gęstość materii wzrasta i w pewnym momencie może również powstać plazma. Przypuszcza się także, że materia kwarkowo-gluonowa wypełnia niezwykle gęste jądra gwiazd neutronowych.

Na początku lat 80-tych zrodził się projekt, by takie kosmiczne warunki stworzyć
w laboratorium, zderzając odpowiednio rozpędzone ciężkie jądra atomowe. Ich energia powinna być wielokrotnie większa od masy, a więc należało uzyskać wiązkę relatywistycznych jąder. Trzeba tutaj wyjaśnić, że właśnie energia jądra nie zaś jego prędkość jest dobra miarą rozpędzenia. Dzieje się tak dlatego, ze zgodnie z przewidywaniami teorii względności, energia może wzrastać nieograniczenie, podczas gdy prędkość nie przekracza bariery prędkości światła. Pierwsze wiązki relatywistycznych jader5 atomowych uzyskano już wkrótce w Berkeley w Kaliforni i w Dubnej pod Moskwą. Energie były jednak zbyt małe,
by można było pomyśleć o wytworzeniu plazmy kwarkowo-gluonowej. Przełom nastąpił
w roku 1987, gdy w Europejskim Laboratorium cząstek Elementarnych (CERN) pod Genewą rozpędzono jądra atomowe do energii blisko 200 razy większej niż ich masa. Początkowo jednak umiano przyspieszać jedynie jądra stosunkowo lekkie, te najcięższe, zawierające jak ołów ponad 200 nukleonów, dopiero w połowie lat 90-tych.

Jak stwierdzić, że kropla plazmy rzeczywiście została wytworzona podczas zderzenia?

Plazma jeśli powstaje, istnieje zaledwie ułamek sekundy, a później, ochłodziwszy się
i rozszerzywszy, zamienia się, zgodnie z zasadą uwięzienia, w zwykłe hadrony. Nie jest wiec możliwa bezpośrednia obserwacja plazmy. Możemy jedynie wykryć pośrednie efekty jej krótkotrwałej obecności. Poszukiwanie plazmy polega zatem na konfrontowaniu danych doświadczalnych z modelami teoretycznymi opisującymi zderzenie jądrowe przy założeniu, że plazma powstaje, bądź nie. Odrzucony zostaje ten model, który przeczy doświadczeniu.
Od lat toczy się spór, czy można już mówić o powstawaniu plazmy w zderzeniach jądrowych czy tez nie. Podobnie sprawy mają się z czarnymi dziurami, których dostrzec nie sposób,
więc o ich istnieniu może świadczyć tylko zachowanie sąsiadujących obiektów.

BIBLIOGRAFIA

Leon N. Cooper - „Istota i struktura fizyki”

A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski - „Wstęp do fizyki”

Paul G. Hewitt - „Fizyka wokół nas”

K. Wójcik, J. Stasz - „Szkolny słownik fizyczny”

E. Batóg, J. W. Mietelski, B. Winiarska – „Słownik szkolny. Fizyka”

A. Blinowski, J.Blinowski, W. Gorzkowski „Fale, cząstki, atomy”

Z. Kamiński „Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie techniczne”, tom 2