Částicové Zoo – kvarky

Zvu vás na návštěvu jedné z nejexotičtějších zoologických zahrad vesmíru. Obdivovat v ní dnes budeme kvarky – elementární částice,  ze kterých se skládají mimo jiné i částice naší hmoty: protony a neutrony. 

V našem pomyslném částicovém Zoo se nachází hned několik výběhů s elementárními částicemi. Na obrázku, který jste mohli vidět už v minulém blogu, jsou kvarky hned u vchodu – v „červené“ ohradě.

Obrázek: elementární částice. Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpg

Částice – všude samé částice!

Poté, co věda v první polovině dvacátého století dosáhla určité úrovně, začaly se množit objevy zvláštního charakteru. Při průzkumu vlivu kosmického záření na vnější vrstvy atmosféry a později, při pokusech v urychlovačích, objevili vědci stovky nových částic. Začali je dělit podle hmotnosti na dvě kategorie – mezony a baryony se společným názvem „hadrony“. 

Původní euforie z nových objevů ale rychle vyprchala. Seznam částic se stal nepřehledným. Situace začala nápadně připomínat stav v zoologické zahradě. Velké množství různorodých částic, stejně jako velké množství různých zvířat, vyžadovalo nějaké smysluplné rozdělení do jednotlivých kategorií, druhů a rodů. 

V chemii přinesl pořádek do změti různých chemických elementů Mendělejev. Uspořádal je podle jejich vlastností do logické tabulky. Dal by se podobně elegantní systém najít i mezi částicemi? U chemických prvků rozhoduje o jejich vlastnostech počet protonů v atomovém jádru. Co by mohlo ovlivňovat hadronové částice? 

V roce 1961 přišel fyzik Murray Gell-Mann se spásným nápadem. Nanesl do specifického systému koordinát vlastnosti částic a vytvořil z nich pravidelné geometrické figury – šestihrany, trojúhelníky, apod. Tyto úhledné a důmyslné konstrukce dostaly název „multiplety“. Částice se v nich vzájemně liší zastoupením různých kvarků, ze kterých se skládají. 

Kvarky a antikvarky se nikdy nevyskytují odděleně, ale tvoří skupinky po dvou nebo po třech.  Dvojice, sestávající vždy z jednoho kvarku a jednoho antikvarku vytváří tzv. „mezony“. Ze tří kvarků se tvoří baryony, například proton, který se skládá z up-up-down kvarků a neutron (down-down-up kvarky). 

Vlastnosti kvarků

Dřív, než se vydáme třídit částicová „zvířata“ podle druhů do různých kategorií, podívejme se na vlastnosti samotných kvarků. Jsou to vlastnosti, které patří do mikrosvěta – a ne vždy jsou srovnatelné s tím, co se vyskytuje v běžném makrosvětě kolem nás. 

Spin

Jednou z jejich exotických vlastností je tzv. spin. Je to přesně daná a neměnitelná vlastnost, která je odlišná u fermionů (částic hmoty) a bosonů (částic, zprostředkujících síly). Spin je vždy násobkem určitého čísla – Planckovy konstanty ( =1,05.10^-34 Js). Fermiony mají spin poločíselný (1/2 nebo 3/2) a bosony celočíselný (například 0, 1 nebo 2). 

Kvarky mají spin 1/2 – a to má dalekosáhlý význam pro všechny částice, které z nich skládají. 

Částicím, které nejsou elementární, ale skládají se z jednotlivých kvarků, se říká „hadrony“. V případě, že daná částice obsahuje jen dva kvarky, je její spin 0 nebo 1 – a stává se tak automaticky bosonem, tedy částicí, která přenáší silovou interakci (viz horní obrázek). Těmto „bosonům druhé generace“ se říká mezony, na rozdíl od „pravých“ bosonů, které jsou skutečně elementární, tedy nejsou složeny z jiných, menších součástí.   

V případě, že se na složené částici podílí hned tři kvarky, musí být (jakkoliv bychom jednotlivé spiny kvarků sčítali nebo odčítali) nutně její spin poločíselný. Daná částice se pak řadí mezi fermiony. To jsou částice, které tvoří naši běžnou hmotu. 

„Vůně“ nebo „chuť“

Ani zde se nejedná o skutečnou vlastnost, spíše o přirovnání. Pokud mluví fyzik o tzv. „flavour“ kvarků, myslí tím jejich druh: up, down, strange, charm, top nebo bottom.  Zjednodušeně si je můžeme představit jako vůně různých zvířat, které umí vnímat například lev. My lidé na jejich detekci nemáme vhodný smysl. 

Elektrický náboj

I když patří elektrický náboj k těm vlastnostem kvarků, které si umíme výjimečně dobře představit, udivují vědce i laiky ze všeho nejvíce. 

Není to ani tak tím, že kvarky elektrický náboj vlastní – jde spíše o jeho velikost. Příroda odvážila náboje kvarků tak přesně, že odpovídají třetinám jiného náboje – náboje elektronu. To je velice důležitý fakt. 

Up kvark vlastní elektrický náboj s hodnotou +2/3, down kvark pro změnu -1/3. 

Složením tří kvarků up+up+down (2/3 + 2/3 - 1/3) pak vzniká částice s pozitivním nábojem +1 (proton), který matematicky odpovídá náboji elektronu. Složením kvarků up+down+down (-2/3 – 2/3 + 1/3) se tvoří neutron s celkovým nulovým elektrickým nábojem. 

Stejná (jen matematicky opačná) hodnota náboje protonu a elektronu  dovoluje atomům hmoty, aby byly navenek zdánlivě elektricky neutrální v případě, že se skládají z vyrovnaného počtu protonů v jádře – a kolem jádra obíhajících  elektronů. Kdyby měly náboje kvarků jen trochu jinou velikost, měla by běžná hmota jiné vlastnosti. S největší pravděpodobností bychom nemohli obdivovat ani komplexní struktury ve vesmíru ani existenci jednotlivých živých a inteligentních bytostí. 

Ostatní (těžké) kvarky jsou na tom podobně jako up a down. Charm a top kvark vykazuje náboj +2/3 e…  strange a bottom kvark pak -1/3 e. 

Hmotnost

Vzhledem  k tomu, že se ale kvarky nikdy nevyskytují osamoceně a izolovaně, jedná se jen o teoretickou hmotnost. Přesto, že se dají kvarky vážit jen nepřímo a měření je zatíženo celkem velkou chybou, víme, že se jejich hmotnosti značně liší. Kvarky „vážíme“ v jednotkách MeV/c^2. 

Up kvark je velice „lehký“ a váží 1,5 -5 jednotek. Down kvark, který spolu s ním tvoří naši běžnou hmotu, váží už 17 – 25 jednotek. Všechny ostatní kvarky jsou daleko těžší. Strange kvark váží 60 – 170, charm pak 1100 – 1400 jednotek. Botton kvark odpovídá 4100 – 4400 a jeho kolega top je skutečným obrem. Svými 173 800 +/- 5200 jednotkami získává v pomyslné hitparádě první cenu. 

Rodina

Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpg

Jako rodinu u kvarků označujeme skupinu, která má specifickou hmotnost. Známe tři rodiny kvarků. Tvoří je lehké částice – up a down, těžší rodina se skládá z kvarků strange a charme, nejtěžší jsou pak top a bottom. Na tvorbě hmoty se v našem vesmíru podílí ale jen ta nejlehčí z nich – up a down kvarky. 

Působení sil a interakce

Kvarky jsou jedinou skupinou elementárních částic, na které působí jak silná, tak slabá jaderná interakce a elektromagnetická síla. Interagují tedy jak s fotony, tak s Z a w- bosony a gluony (silovými částicemi).

Barevný náboj

Poté, co byla objevena první částice, která se skládala ze tří na pohled identických kvarků (strange-strange-strange), vynořilo se dilema: ona částice totiž popírala Pauliho vylučující princip, podle kterého nemohou fermiony (ke kterým tedy patří i kvarky) vzájemně sdílet stejný prostor, pokud mají stejné vlastnosti. Tři stejně vypadající kvarky ale zjevně ve stejném prostoru existovaly – nemohly být tedy opravdu stejné. Musely se od sebe odlišovat nějakou další veličinou, kterou věda dosud neznala. Fyzika tak objevila další novou vlastnost, kterou se navzájem liší i na pohled „stejné“ kvarky. Dostala název „barevný náboj“. 

Nejde samozřejmě o barvu v pravém slova smyslu. Jedná se o náboj silné jaderné interakce podobně, jako je elektrický náboj nábojem elektromagnetické síly. 

Obrázek: barvy kvarků a antikvarků. 

Barvy kvarků nebyly vybrány náhodně. Odpovídají aditivním (skládanému) vjemu barevných paprsků. Když v našem  běžném světě složíme paprsky zelené, modré a červené barvy, je výsledkem paprsek s bílým světlem. Podobně se skládají i „barvy“ kvarků. Výsledná částice musí mít vždy bílou barvu, ať už se jedná o částici složenou ze tří nebo ze dvou kvarků.

Až potud je tedy situace jasná – složením tří barev (tří kvarků) získáme „bílou“ částici. Jak to ale funguje v případě dvoukvarkových částic – mezonů? Jaké dvě barevné částice lze ale složit tak, aby měly ve výsledku bílou barvu? Jde to jen pomocí antičástic. Červený kvark se spojí s antičerveným a vytvoří přitom boson vyšší kategorie – mion. U „dvoukvarkových částic“ se tedy jedná o částice, které se skládají z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Díky měření dnes víme, že páry kvarků a antikvarků v mezonech své barvy neustále mění.  Kvark je během určité doby stejně často červený jako zelený a modrý. Znamená to, že naše pomyslná částicová zebra průběžně mutuje. Ze zebry obecné se stává zebra Boehmova, aby později změnila svůj vzhled na zebru Grévyho. Jak je to možné? Částice mění svou barvu pomocí gluonů, bosonů (tedy výměnných částic silné jaderné interakce). Gluony totiž samy také reagují silnou jadernou interakcí a nesou tedy vlastní barevný náboj. Kvark si s nimi barevný náboj jednoduše vymění. Gluon je tedy zebřin pomocník, který ji i sebe neustále převléká no nových a nových převleků, simulujících určitý druh zebry. Pak si je sám obléká. Mate tím nejen vás, ale i pomyslného částicového lva, který právě dostal na částicovou zebru chuť.  

Gluony (částice, které zprostředkovávají silnou jadernou interakci) se tedy samy na této interakci podílejí. To je zásadní rozdíl mezi silnou jadernou silou a například elektromagnetismem. Jeho výměnné částice (fotony) jsou elektricky neutrální. Díky tomu také fotony mezi sebou navzájem nereagují. Gluony to umí – reagují jak se svými kvarky, tak mezi sebou navzájem. Na doplnění – gluonů existuje 8 různých druhů.

Tříkvarkové částice se mohou skládat z šesti různých barevných stavů podle toho, který kvark nabral jaký barevný náboj. Představte si tedy tři vedle sebe stojící zebry, které neustále mění svoje převleky. Mezi nimi pobíhají gluonoví pomocníci, kteří jsou za převlékání zeber odpovědní. Sami navíc neustále mění svoje vlastní převleky podle toho, jaký druh právě své kvarkové zebře přidělili. Pokud si k tomuto chaosu přimyslíte ještě velké množství vznikajících a zanikajících virtuálních kvarků – máte celkem solidní obrázek, jak to vypadá uvnitř klasických částic hmoty. 

Izolovanost - confinement

V přírodě se ještě nikdy nepodařilo pozorovat jednotlivý, izolovaný kvark. Vždycky, když vědci zkoušeli izolovat některý z nich, vznikaly namísto osamělého kvarku jen další mezony a baryony. 

Vysvětlení tohoto jevu nabízí sama podstata silné jaderné interakce, síly, která kvarky drží pohromadě. 

Jakmile se kvarky nacházejí poměrně blízko sebe, mají relativní volnost a síla, která je spojuje je relativně slabá. 

Když je ale zkusíme rozdělit a navzájem je vzdálíme, vzroste také síla silné jaderné interakce. Na to, abychom oddělili jeden kvark od ostatních by byla teoreticky nutná nekonečně vysoká energie. K tomu, abychom ale systému dodali nekonečně vysokou energii ale nikdy nedojde – a to nejen proto, že ji nemáme k dispozici. Už při menších hodnotách přidané energie totiž vzniká nová částice, například antikvark, který se s kvarkem, který se snažíme oddělit, spojí a vytvoří příslušný nový mezon. 

Chudák částicový lev. Nemá to vůbec lehké. Snaží se oddělit z trojice zeber tu nejšťavnatější, aby ji poobědval. Když se mu to konečně podaří, je zebra pryč a on stojí tváří v tvář naštvanému nosorožci. 

Příště: Částicové Zoo – protony