LITMIR.BIZ

      RYSUNEK 11. Model Standardowy fizyki cząstek opisuje oddziaływania trzech generacji cząstek materii z wykorzystaniem trzech rodzajów oddziaływań, przenoszonych przez kolekcję „nośników oddziaływań”.

      Kwarki również tworzą trzy generacje. Do pierwszej generacji zalicza się kwark górny (u), o ładunku elektrycznym +2/3, oraz kwark dolny (d) o ładunku elektrycznym –1/3. Idea wartości ułamkowych ładunku elektrycznego może być dla Was nowa. Co więcej, prawdę mówiąc, nie dokonano nigdy bezpośredniej obserwacji kwarka o ładunku ułamkowym. Niemniej jednak zapewniam, że istnieją mocne podstawy doświadczalne (choć nie bezpośrednie), by wierzyć, że kwarki rzeczywiście istnieją i mają przypisywane im właściwości. „Górny” i „dolny” odpowiadają różnym „zapachom” kwarków, a każdy „zapach” występuje w trzech „kolorach”: czerwonym, zielonym lub niebieskim (zapisywanych krótko r, g, b).

      Kwarki górny i dolny, z masą od 0,0018 do 0,0033 mas protonu (u) i od 0,0044 do 0,0061 mas protonu (d), zaliczają się do stosunkowo lekkich, choć masywniejszych od elektronu. Posługuję się pewną rozpiętością mas, ponieważ zgromadzone dotąd dane doświadczalne fizyki cząstek uniemożliwiają uzyskanie dokładnych wartości masy kwarków.

      O ile kwarki mogą wydawać się nieco mniej znajome, o tyle protony i neutrony zapewne budzą przyjemniejsze odczucia. W rzeczywistości proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego (uud), z całkowitym ładunkiem elektrycznym +1. Neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych (udd) i ma ładunek zerowy. Może zastanowić Was prosty fakt, że masy dwóch kwarków górnych i jednego dolnego nie sumują się w masę protonu. W istocie wydaje się, że „brakuje” całkiem sporo masy (na podstawie informacji powyżej możemy oszacować, że kombinacja uud powinna mieć masę w przedziale od 0,008 do 0,013 masy protonu, co oznacza, że około 99 procent masy protonu gdzieś się odmeldowało). Nie martwcie się – odpowiedź jest w drodze.

      Ten sam wzorzec powtarza się wśród kwarków drugiej i trzeciej generacji. Kwark powabny (c) niesie ładunek +2/3 i ma masę około 1,37 masy protonu. Kwark dziwny (s) ma ładunek –1/3 i masę około 0,11 masy protonu. Podobnie kwark wysoki (t) ma ładunek +2/3 i masę 184 mas protonu, a kwark niski (b) ładunek –1/3 i masę 4,47 masy protonu.

      Wszystkie kwarki i leptony mają spin 1/2 (są fermionami). Wszystkie mają swoje odpowiedniki w antymaterii.

Siły elektromagnetyczne działają na wszystkie cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym, a ich nośnikami są bezmasowe fotony (γ). Oddziaływanie słabe obejmuje swoim wpływem zarówno kwarki, jak i leptony, jego nośnikami zaś, jak wyjaśniałem wcześniej, są „ciężkie fotony”, czyli cząstki W+, W– i Z033. Właściwie pod wpływem promieniowania beta znajdujący się wewnątrz neutronu w niestabilnym jądrze atomu kwark dolny przechodzi w kwark górny, zamieniając neutron w proton. Kwark dolny emituje cząstkę W–, która unosi z sobą zobojętniający neutron ładunek elektryczny. Cząstka W– szybko rozpada się na elektron i coś, co mogę już poprawnie opisać jako antyneutrino elektronowe.

      W oddziaływaniu silnym biorą udział tylko kwarki, jako że są to jedyne cząstki materii, które mają „ładunek kolorowy”. To właśnie oddziaływanie silne wiąże ze sobą kwarki wewnątrz protonów i neutronów. Jednak działanie tej siły stoi w pewnej sprzeczności z intuicją.

      Kiedy wyobrażamy sobie siłę działającą między dwiema cząstkami, prawdopodobnie przywołujemy na myśl takie oddziaływania, jak grawitacja czy elektromagnetyzm, w których siła jest tym większa, im bliżej są cząstki (rysunek 12). Oddziaływanie silne nie zachowuje się w ten sposób. Kwarki w tym oddziaływaniu sprawiają wrażenie przymocowanych do przeciwległych końców kawałka gumki czy też sprężyny. Kiedy znajdują się blisko siebie, gumka, czy też sprężyna, pozostaje luźna i siła działająca na cząstki jest słaba lub w ogóle nie występuje. Gdy spróbujemy kwarki rozsunąć, gumka, czy też sprężyna, się rozciągnie. Siła będzie tym większa, im bardziej będziemy ciągnąć.

      Ilustruje to rysunek 12(b), obrazujący oddziaływanie między kwarkiem i antykwarkiem. Cząstki zbudowane z takiej pary kwark––antykwark to mezony. Na przykład cząstka składająca się z kwarka górnego (ładunek +2/3) i antykwarka dolnego (ładunek +1/3) to mezon o nazwie pion dodatni (π+), obdarzony ładunkiem +1.