30. januára 2023
kvark

O troch kvarkoch

Ľudia sa od nepamäti snažili pochopiť, z čoho sa skladá hmota. Premýšľali o elementoch, geometrických útvaroch či uzlíkoch éteru. O povahe hmoty premýšľali filozofovia už stovky rokov pred naším letopočtom. O to viac pobaví, že keď sme objavili jeden zo základných stavebných kameňov hmoty, dali sme mu meno tvarôžtek – teda kvark. Trojica kvarkov tvorí protón a trochu iná trojica zas neutrón. A iné kombinácie kvarkov tvoria kadečo iné.

Zloženie hmoty sme odhaľovali postupne – od molekúl, cez atómy až po jadrá. Niekedy išlo o sofistikované úvahy a výpočty, inokedy o starú dobrú metódu: „Riadne do toho tresknem a pozriem sa, čo sa stane.“ Práve táto metóda prinášala svoje ovocie. Ukázalo sa, že ak zrazíte dve častice s dostatočnou energiou, budú zo zrážky vylietavať všeličo – podľa Einsteinovho vzorca E= mc2 môže energia vytvoriť novú hmotu.

Asi si vravíte, že viete, ako teda boli kvarky objavené. Zrazili sme o seba dva protóny, tie sa rozpadli na kvarky a tie sme zachytili v detektore. Chyba, nič také sa nestalo. Kvarky majú totiž zvláštnu vlastnosť – nedokážu existovať osamotené, vždy musia byť spojené s iným kvarkov, táto vlastnosť sa volá uväznenie (confinement).

Stará dobrá trieskacia metóda tak mala prekážku – kvark sa z nukleónov, teda protónov a neutrónov, vyraziť nedá. Fyzici však aj tak častice zrážali a sledovali, čo pri zrážkach vzniká a ako to lieta von.

Pri tejto snaha nastalo niečo, čo – bez preháňania – snáď nikto nečakal, aspoň nie v takejto miere. Keď sme o seba zrážali známe častice, začalo sa objavovať množstvo iných úplne nových a nevídaných. Dostali mená ako pióny, kaóny, sigma baryóny, eta mezóny či staré dobré podivné lambda baryóny. Pri tomto názvosloví sa stráca, čo je prívlastok a čo názov. Napríklad názov poslednej menovanej častice je „podivný lambda baryón“, podivný sa odkazuje na meno jedného z kvarkov. Ako vidíte, nové častice sa objavovali tak rýchlo, že sme im nestíhali dávať normálne mená.

Vzniklo tak niečo, čo sa žoviálne nazýva zoologická záhrada časticovej fyziky. Isidor Isaac Rabi to dokonale zhrnul hláškou: „Kto si toto objednal?“ Bol čas začať robiť poriadky.

Kvarky boli odhalené dvomi nezávislými spôsobmi. Murray Gell-Mann zakreslil častice do grafov, ktoré zobrazovali ich špecifické vlastnosti. Uvedomil si, že tvoria pravidelné útvary ako šesťuholníky či trojuholníky. Teda, nie úplne, útvary boli štrbavé a tak povedal, že existujú ešte neobjavené častice, ktorých vlastnosti dokáže predpovedať – a tie sa naozaj podarilo pozorovať. Základom jeho modelu sú symetrický štruktúry a ich stavebným dielikom bola trojica niečoho, čo nazval kvark na základe rýmovačky od Jamesa Joyca:

Three quarks for Muster Mark!

Sure he hasn’t got much of a bark

And sure any he has it’s all beside the mark.

Finnegans Wake, James Joyca

Druhú vetvu viedol Richard Feynman, ktorý skúmal vysokoenergetické zrážky častíc. V podstate modeloval, ako by prebiehali zrážky ak by častice boli tvorené z niekoľkých ešte menších – bodových – častíc, ktoré dostali názov partóny. Výsledky experimentov ukázali, že v nukleónoch sú partóny tri.

Tu si znovu asi vravíte, že vyvrcholenie je očividné – tri kvarky od Gell-Manna, tri partóny od Feynmana, to predsa musí byť to isté! Nie, nie je.

Tri Gell-Mannove kvarky voláme U(p), D(own) a S(trange). Okrem nich sa objavili ďalšie tri, C(harm), B(ottom) a T(op). Všetky majú pomerne prudko rastúcu hmotnosť a tak spočiatku boli známe len prvé tri – na ich objavenie netreba toľko energie.

Protón je tvorený z kvarkov UUD, neutrón zas UDD. S kvark, teda podivný, nie je pevnou súčasťou hmoty a názov dostal vďaka tomu, že sa ľudia snažili pochopiť, prečo niektoré novo-objavené častice prežijú tak podivne dlho. Čo v tomto svete znamená dlho? Asi desaťmiliardtinu sekundy.

Viem, že už ste asi emočne zdrancovaní a chceli by ste jasný a jednoznačný záver: nukleóny sú tvorené z troch kvarkov. Rád by som vám ho doprial, no nie je to úplne tak. Takže to uzavriem s tým, že nukleóny obsahujú tri valenčné kvarky a k tomu ešte všeličo iné. To všeličo iné nie je zanedbateľné, lebo – ak ráčite nahliadnuť do tabuliek hmotností elementárnych častíc – tri kvarky síce tvoria základ nukleónov, no sú zodpovedné len za 1% ich hmotnosti. Hmotnosť nás všetkých, aj tá, ktorú sme nabrali cez sviatky, je tvorená práve týmto zbytkom. O ňom si však povieme až niekedy nabudúce.

[Samuel]

PS: Všetci spomínaní v článku získali Nobelove ceny.
PS2: V rámci voľného času si môžete spočítať, že aký elektrický náboj musia mať U a D kvarky, aby bol neutrón neutrálny a protón mál jednu jednotku náboja.

Pridaj komentár