Wyobraźnia bez rygorów eksperymentu ma wartość śmiecia intelektualnego? – cz.5

5. Najnowsza rewolucja w fizyce - kwarki

Związek pomiędzy materią codzienną a sferą subatomową. Zwykłe obiekty składają się z atomów, które zawierają jądro i orbitujące elektrony. Jądro składa się z neutronów i protonów, które z kolei składają się z kwarków powiązanych razem gluonami. Cała materia naszego codziennego życia składa się tylko z górnych i dolnych kwarków oraz anty-kwarków, gluonów i elektronów.

Starożytni wierzyli, że wszystko składa się z pięciu elementów: ziemi, wody, ognia, powietrza i eteru. Potem dowiedzieliśmy się, że świat wokół nas składa się z cząstek, a cząstki zbudowane są z atomów. Przez cały XX wiek fizyka cząstek rozwijała się gwałtownie, od odkrycia przez Rutherforda struktury atomu w 1911 r. aż do opracowania Modelu Standardowego. W 1932 roku naukowcy już wiedzieli, że atomy składają się z zaledwie trzech cząstek - neutronów , protonów i elektronów. No i istniał oczywiście foton. Neutrony i protony są ściśle związane ze sobą w jądrze. Elektrony, tysiące razy lżejsze, wirują wokół jądra.

Fizycy Planck, Bohr, Schrodinger, Heisenberg wymyślili nową naukę - mechanikę kwantową, aby wyjaśnić ten ruch.

Tymczasem natura okrutnie odmówiła utrzymania zoo składającego się zaledwie z czterech cząstek. Ilość cząstek uznawanych za podstawowe zaczęła się powiększać.

Do 1959 roku liczba znanych subatomowych cząstek osiągnęła 30.

„Gdybym był w stanie zapamiętać wszystkie ich nazwy, nie byłbym fizykiem, ale botanikiem” - wspominał kiedyś Enrico Fermi. Trzydziestka cząstek z końca lat 50-tych składała się z fotonu, sześciu leptonów, siedmiu mezonów i szesnastu barionów.

W latach 60-tych istniały już setki cząstek i ciągle odkrywano nowe.

W miejsce dobrze zorganizowanego ich układu na wzór układu Mendelejewa, istniały tylko długie listy barionów (ciężkich cząstek, takich jak protony i neutrony), mezonów (jak piony Yukawy) i leptony (lekkie cząstki, takie jak elektron i nieuchwytne neutrina). Bez żadnych zasad przewodnich dotyczących ich organizacji istniało „bagno cząstek podstawowych”.

W 1964 roku Murray Gell-Mann i George Zweig podjęli próbę usystematyzowania spraw. Zaproponowali, że protony, neutrony i wszystkie inne hadrony nie są tak fundamentalne, jak kiedyś sądzono. Zamiast tego zasugerowali, że mniejsze cząstki zwane kwarkami są prawdziwymi podstawowymi cząstkami, które składają się na hadrony.

Niezależnie pokazali , że symetria SU(3) dopuszcza istnienie tripletu fermionów z ułamkowym ładunkiem elektrycznym +2/3, -1/3 i -1/3.

Gell-Mann nazwał członków swojej trójki "kwarkami", a Zweig „asami’. Artykuł Zweiga spotkał zupełnie inny los, aniżeli tekst Gell-Manna. Zweig był młodym stażystą w CERN European Center for Particle Physics i jego propozycje publikacji musiały być sprawdzone przed publikacją przez szefów. Ci jednak nie zaryzykowali opublikowania nowatorskich propozycji Zweiga. I artykuł ukazał się tylko w postaci preprintu.

Publikacja Gell-Manna zapoczątkowała triumfalną drogę kwarkowego modelu hadronów w świecie fizyki.

W miarę stopniowego zmniejszania skali odkryliśmy, że cząsteczki zbudowane są z atomów zbudowanych z protonów, neutronów i elektronów, a protony i neutrony można dalej podzielić na kwarki i gluony.

 Ta droga nie była jednak zbyt szybka.

W prostym modelu o atrakcyjnej nazwie natychmiast zakochali się dziennikarze i popularyzatorzy nauki. Fizycy zaakceptowali model kwarkowy wiele lat później. Były ku temu powody. Model w swojej pierwotnej formie był sprzeczny z zasadą Pauliego, która dotyczy wszystkich fermionów. Jeżeli proton składa się z dwóch u-kwarków i jednego d-kwarka, u-kwarki powinny być w takim samym stanie kwantowym, a to zgodnie z zasadą Pauliego jest niemożliwe. Ten problem w końcu został rozwiązany poprzez zapewnienie kwarkom dodatkowej liczby kwantową - koloru, który może przyjmować trzy wartości - czerwony, niebieski, zielony. Nie było jasne, jak kwarki współdziałają ze sobą i dlaczego nie przechodzą ze stanów związanych do swobodnych. Te tajemnice udało się rozwikłać dzięki powstaniu teorii pól kalibracyjnych w pierwszej połowie 1970 roku, co i pozwoliło zbudować Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Kwarkowy model hadronów (QCD) stał się jej częścią.

Ostateczny przełom nastąpił w listopadzie 1974 r. W przeciwieństwie do jej politycznego rosyjskiego kuzyna, rewolucja listopadowa 1974 roku była związana z kwarkami i miała miejsce w Stanford Linear Accelerator Center  oraz w Brookhaven National Laboratory  w Stanach Zjednoczonych. Obie drużyny niemal jednocześnie odkryły kwark i jego antycząstkę, połączone razem tworzące mezon . Burton Richter - noblista, który kierował zespołem SLAC, nazwał go mezonem ψ (psi). Samuel Ting - noblista, który kierował zespołem Brookhaven, wolał nazwać to mezon J. Ze względu na wspólne ogłoszenie ich odkrycia, mezon J/ψ jest jedyną cząstką o dwuliterowej nazwie.