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.

Odkrycie mezonu J/ψ potwierdziło model kwarkowy i doprowadziło do szybkich zmian w fizyce cząstek wysokoenergetycznych. Jednym z najważniejszych zdarzeń w tych czasach, jest właśnie pojawienie się Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, który usystematyzował kilkaset cząstek subatomowych i uznał właściwe cząstki za elementarne.

Teoria kwarków to teoria budowy hadronów. Główna idea tej teorii jest prosta: wszystkie hadrony są zbudowane z drobniejszych cząstek – kwarków. Kwarki mają ułamkowy ładunek elektryczny który wynosi albo (-1/3), albo (+2/3) ładunku elektronu. Kombinacja dwóch i trzech kwarków może mieć sumaryczny ładunek równy 0 lub 1. Wszystkie kwarki mają spin równy ½, czyli są fermionami. Gell-Mann i Zweig, aby uwzględnić wszystkie w latach 60-tych znane hadrony wprowadzili 3 aromaty kwarków: u (od up – górny), d (od down- dolny) i s (od strange – dziwny).

Ponadto każdy kwark charakteryzuje się analogiem ładunku elektrycznego, który służy jako źródło pola gluonowego. Nazwano go kolorem (termin ten nie ma nic wspólnego z kolorami). Jeśli pole elektromagnetyczne jest generowane przez ładunek tylko jednego rodzaju, to bardziej złożone pole gluonowe jest tworzone przez trzy różne ładunki kolorów. Każdy kwark jest "kolorowy" w jednym z trzech możliwych kolorów, które (całkowicie dowolnie) nazwano jest czerwonym, zielonym i niebieskim. A zatem antykwarki są anty-czerwone, anty-zielone i anty-niebieskie.

Kwarki mogą łączyć się ze sobą na jeden z dwóch możliwych sposobów: trójkami lub parami kwark-antykwark. Z trzech kwarków są zbudowane względnie ciężkie cząstki – bariony. Najbardziej znane bariony to neutron i proton, który składa się z dwóch u - i jednego d-kwarka (uud) oraz neutron z dwóch kwarków d i jednego kwarka u (udd). Lżejsze pary kwark - antykwark tworzą cząstki zwane mezonami i opisane są w tablicy mezonów 

Aby "trio" kwarków nie rozpadło się, konieczna jest siła trzymająca je, rodzaj "superkleju". Nośniki tej siły to gluony. I "kolorowe ładunki" kwarków są wspólnie kompensowane, więc w rezultacie hadrony okazują się "białe" (lub lepiej bezbarwne).

Kwarki są związane ze sobą w wyniku silnych oddziaływań i nigdy nie zobaczymy swobodnego kwarka.

Gluony mają również różne kolory, ale nie są czyste, ale zmieszane. Gluony charakteryzują się "kolorem" i "antykolorem" (na przykład niebiesko-antyzielony). Dlatego emisji lub absorpcji gluonu towarzyszy zmiana barwy kwarka. Na przykład czerwony kwark, tracąc czerwono-antyniebieski gluon, zamienia się w niebieski kwark, a zielony kwark, wchłaniając niebiesko-antyzielony gluon, zamienia się w niebieski kwark.

Z punktu widzenia chromodynamiki kwantowej (kwantowa teoria koloru) silne oddziaływanie jest niczym więcej jak dążeniem do zachowania pewnej abstrakcyjnej symetrii natury: zachowaniem białego koloru wszystkich hadronów przy zmianie koloru ich składowych - kwarków. Na przykład w protonie trzy kwarki nieustannie wymieniają się gluonami, zmieniając swój kolor. Jednak takie zmiany nie są dowolne, a podlegają surowej zasadzie: w dowolnym momencie "sumaryczny" kolor trzech kwarków powinien być białym, to znaczy tworzyć "czerwony + zielony + niebieski". Dotyczy to również mezonów składających się z pary kwark - antykwark. Ponieważ antykwark charakteryzuje się antybarwnością, taka kombinacja jest oczywiście bezbarwna ("biała"), na przykład czerwony kwark w połączeniu z anty-czerwonym kwarkiem tworzy bezbarwny ("biały") mezon.

Aktualnie fizycy uważają kwarki za autentycznie elementarne cząstki – „punktowe”, niepodzielne bez wewnętrznej struktury.

Już w 1969 roku udało się uzyskać bezpośrednie fizyczne dowody istnienia kwarków w serii eksperymentów na rozpraszaniu przyspieszonych do wysokich energii elektronów przez protony. Eksperyment wykazał, że rozproszenie elektronów miało miejsce tak, jakby elektrony zderzały się wewnątrz protonu ze stałymi cząstkami i odbijały się od nich pod najbardziej nieoczekiwanymi kątami. Takie stałe inkluzje wewnątrz protonów to właśnie kwarki.

17 podstawowych cząstek Modelu Standardowego. Protony i neutrony, które regularnie spotykamy wokół nas, składają się z kombinacji kwarków. Standardowy model fizyki cząstek dzieli elementarne cząstki materii na oddzielne rodziny: leptony i kwarki. Każda rodzina składa się z sześciu cząstek, które są powiązane parami lub "generacjami". Najlżejsze i najbardziej stabilne cząstki tworzą pierwszą generację, podczas gdy cięższe i mniej stabilne cząstki należą do drugiego i trzeciego pokolenia. Sześć leptonów jest ułożonych w trzy generacje - "elektron" i "neutrino elektronowe", "mion" i "neutrino mionowe" oraz "tau" i "neutrino tau". Sześć kwarków jest podobnie połączonych w pary trzy pokolenia - "kwark górny" i "kwark dolny" tworzą pierwsze pokolenie, a następnie "kwark dziwny" i "powabny kwark", a następnie "piękny kwark" i "kwark prawdziwy". KLIKNIJ! Uruchom interaktywny Model standardowy i klikaj na każdą cząstkę !

Kompletny model standardowy powstawał długi czas. Fizyk J.J, Thomson odkrył elektron w 1897 roku, a naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów znaleźli w 2012 roku ostatni element układanki, bozon Higgsa

Cząstki, z których wszystkie zostały wykryte, ale które nie mogą wyjaśnić wszystkiego o naszym Wszechświecie. Z książki E. Siegel "Beyond The Galaxy".

W 2018 r. dokonano pierwszego pomiaru właściwości mechanicznych cząstek subatomowych - rozkładu ciśnienia wewnątrz protonu.

Proton, jeden ze składników jąder atomowych, składa się z podstawowych cząstek zwanych kwarkami i gluonami. Gluony są nośnikami siły, która wiąże kwarki ze sobą, a wolne kwarki nigdy nie znajdują się w izolacji - to znaczy są zamknięte w złożonych cząstkach, w których przebywają. Pochodzenie takiego ograniczenia kwarków jest jednym z najważniejszych pytań we współczesnej fizyce cząstek i fizyce jądrowej, ponieważ ich zamknięcie jest rdzeniem tego co sprawia, że proton jest stabilną cząstką, a tym samym zapewnia stabilność Wszechświata. Wewnętrzna struktura kwarkowa protonu ujawnia się dzięki rozproszeniu Comptona - procesowi, w którym elektrony są rozpraszane wokół kwarków wewnątrz protonów. Gdy elektron oddziałując elektromagnetycznie z kwarkiem emituje foton o wysokiej energii, wraz z rozproszonym elektronem i prowadzi do odrzutu nuklearnego. Mierząc wszystkie trzy produkty, można obliczyć rozkład ciśnienia doświadczany przez kwarki wewnątrz jądra atomowego. Poniżej przedstawiony jest pomiar rozkładu ciśnienia doświadczanego przez kwarki w protonie.

Radial presure distribution determined from intaractions of the quqrks In the proton versus versus radial distance from the center. Wykres pokazuje rozkład ciśnienia rᶺ(2)p(r), który wynika z oddziaływań kwarków w protonie w funkcji odległości promieniowej rod środka protonu. Gruba czarna linia odpowiada ciśnieniu uzyskanemu z parametrów opublikowanych dla danych zmierzonych przy 6 GeV. Odpowiadające oszacowane niepewności są wyświetlane w postaci jasnozielonego zacienionego obszaru. Niebieski stanowi obszar niepewności ze wszystkich danych, które były dostępne przed doświadczeniem 6-GeV, a zacienione czerwonym wskazują planowane wyniki z przyszłych badań przy 12 GeV, które zostaną wykonane z uaktualnionym aparatury doświadczalnej. Niepewności stanowią jedno odchylenie standardowe. KLIKNIJ!  

Oś y jest w jednostkach siły (dodatnia na zewnątrz), podczas gdy oś x pokazuje odległość od centrum protonu (w femtometrach - 10^(-15) m. Ciśnienie odpychające w pobliżu środka, skierowane na zewnątrz, równoważone jest ograniczającym ciśnieniem z zewnętrznych krawędzi protonu skierowanym do wewnątrz.

Ciśnienie w centrum protonu jest najwyższe. Jest także odpychający, grożąc rozerwaniem trzech kwarków. Jednak ciśnienie w pobliżu jego krawędzi ma charakter ściskający. Ogranicza to kwarki do wnętrza protonu, o średnicy około 2 femtometrów.

Prace badaczy jeszcze się nie skończyła. Czekają na lepsze i dokładniejsze dane, które mają nadzieję uzyskać wkrótce. To pomoże im wypolerować niektóre z ich bieżących wyników na rozkład ciśnienia protonów. Są przekonani, że ich metoda DVCS-GPD-GFF  ujawni więcej informacji o wnętrzu protonu, takich jak wewnętrzne siły i jego promień.

Fizycy jądrowi z Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility  wykryli silne odpychające ciśnienie blisko środka protonu (do 0,6 femtometrów) i ciśnienie wiążące na większych odległościach. Średnie maksymalne ciśnienie w pobliżu środka wynosi około 10ᶺ(35) paskali, co przekracza ciśnienie oszacowane dla najgęściej upakowanych znanych obiektów we Wszechświecie, gwiazd neutronowych.

Centra gwiazd neutronowych były niekwestionowanymi mistrzami wszechświata, w zakresie wysokich ciśnień. Zostały zdetronizowane, ponieważ ciśnienie jakie odczuwa kwark w środku protonu jest około 10 razy większe od ciśnienia znajdującego się w gwiazdach neutronowych.

Należy pamiętać, że standardowe ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza na Ziemi wynosi nieco ponad 10ᶺ(5) Pascali. Czyli ciśnienie w centrum protonu wynosi milion bilionów bilionów razy więcej niż atmosferyczne ciśnienia na Ziemi,

„Wykryliśmy bardzo wysokie ciśnienie skierowane na zewnątrz ze środka protonu oraz znacznie niższe i bardziej rozciągnięte skierowane do wewnątrz ciśnienie w pobliżu obrzeży protonu" - wyjaśnia Volker Burkert - Jefferson Lab Hall Leader  i współautor artykułu. Rozkład ciśnienia wewnątrz protonu jest podyktowany przez silną siłę, która wiąże trzy kwarki razem, aby utworzyć proton. "Nasze wyniki rzucają również światło na rozkład silnej siły wewnątrz protonu. Opracowaliśmy sposób wizualizacji wielkości i rozkładu silnej siły wewnątrz protonu, co otwiera zupełnie nowy kierunek w dziedzinie fizyki jądrowej i cząstek elementarnych, które można zbadać w przyszłości".

„To wygląda jak w gwieździe” - mówi fizyk Oleg Teriaev z Laboratorium Wysokich Energii w Zjadnoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej. Gwiazdy też mają ciśnienie odpychające na zewnątrz w swoich centrach, któremu przeciwdziała grawitacja. Protony są trzymane razem przez silną siłę, tak jak gwiazdy są trzymane razem przez

grawitację. Ale małe protony to inne bestie. Więc "to naturalne, ale nie jest całkowicie trywialne, "że oba obiekty będą charakteryzowały się podobieństwem pod względem ciśnienia” - twierdzi Teriaev, który także komentuje możliwości skonstruowania bomby kwarkowej o czym donosiła niedawno rosyjska prasa – podkreślając zjawisko uwięzienia kwarków - Bag Model of Quark Confinement i możliwości skonstruowania superbomby kwarkowej, o czym pisała rosyjska prasa.

Schemat procesu hadronizacji. Gluonowe siły wiążące kwark w protonie nie słabną przy oddalaniu jednego kwarka od drugiego. W rezultacie, przy próbie „wyrwania” kwarka z protonu, gluonowe pole powoduje pojawienie się pary kwark – antykwark i od protonu oddziela się nie kwark, a π- mezon. I on jako hadron może już oddalić się od protonu.

Powiększ!

Fizyka cząstek rozwinęła spójny model, który charakteryzuje siły i cząstki na najbardziej elementarnym poziomie. Ten standardowy model, zbudowany na podstawie wielu badań teoretycznych i eksperymentalnych, doskonale zgadza się z prawie wszystkimi aktualnymi danymi. Istnieje jednak wiele wskazówek, że jest to tylko przybliżenie do jeszcze bardziej fundamentalnej teorii.

 Model Standardowy cząstek elementarnych możemy uznać za standardową hipotezę fizyki. O hipotezie standardowej pisałem już w poprzednich notkach tego cyklu zaliczając do takich hipotez czarne dziury i ciemną materię.

W ostatniej notce cyklu będzie kilka słow o samej hipotezie standardowej. No i o porcelanowym czajniku na orbicie pomiędzy Ziemią, a Marsem.

Tymczasem powróćmy do sprawy ostatniej rewolucji w fizyce związanej z kwarkami. Uczeni zawsze dążyli do poznania Możliwych Początków Wszystkiego. Do tego zmierzał na przestrzeni dziejów każdy z koryfeuszy nauki. Globalne rewolucje w naukach przyrodniczych związane były w znacznej części z astronomią. Towarzyszyła im odpowiednia transformacja kosmologii

Globalne rewolucje nauk przyrodniczych, z reguły, rozpoczynały się w astronomii i towarzyszyła im odpowiednia transformacja kosmologii. I były tylko cztery takie rewolucje: Arystotelesa, Newtona, Maxwella i Einsteina.

Każda z wyżej wymienionych rewolucji przypisana luminarzom nauk przyrodniczych przewidziała możliwość, a nawet potrzebę odpowiedniej kolejnej globalnej rewolucji nauk przyrodniczych, które odpowiednio można nazwać post-arystotelesowską, post-newtonowską, post-maxwellowską. Aktualnie jesteśmy w okresie, który można określić jako rewolucję post-einseinowską w naukach przyrodniczych, która charakteryzuje się poszukiwaniem jednolitej teorii czterech fundamentalnych oddziaływań: grawitacyjnego, elektromagnetycznego, słabego i silnego.

Nowe rozumienie natury cząstek subatomowych oparte o jednolitą teorię oddziaływań elektrosłabych i teorię kwarków, niewątpliwie zasługuje na miano rewolucji naukowej w fizyce. Jej początek można przypisać odkryciu pierwszych dziwnych cząstek - kaonów w 1974 r. przez George Rochestera i Clifforda Butlera oraz π- mezonów przez Cecila Franka Powella, co pomogło zapoczątkować nową erę w fizyce cząstek elementarnych prowadząc do kwarków. I okazuje się, że ta najnowsza i póki co ostatnia rewolucja w fizyce trwała prawie 30 lat, do odkrycia w 1976 r. D-mezonu stanowiącego kombinację kwarka powabnego i u-antykwarka.

 Czy to długo czy krótko?

Pierwsza rewolucja w chemii, podczas której obalono teorię flogistonu, trwała 24 lata. James Clerk Maxwell opublikował podstawy teorii pola elektromagnetycznego w 1864 roku, ale większość fizyków zaakceptowała je dopiero po tym, jak Heinrich Hertz odkrył fale elektromagnetyczne przepowiedziane przez Maxwella w latach 1887-88.

Rewolucja kwantowa, rozpoczęta w 1900 roku przez Maxa Plancka, zakończyła się pod koniec lat dwudziestych.

Rewolucja Einsteina, podczas której koncepcje Newtona dotyczące przestrzeni, czasu i pierwszych udanych modeli kosmologicznych zostały zrewidowane, rozciągnęła się na około ćwierć wieku.

Rewolucje naukowe to długa sprawa.

Odnośnie ostatniej, rewolucji kwarkowej w fizyce możemy stwierdzić:

Po pięciu dekadach Model Standardowy zasługuje na świętowanie jako Absolutnie Niesamowita Teoria Prawie Wszystkiego.

50 lat temu Steven Weinberg opublikował artykuł "Model leptonów", który wyznaczył kierunek badań nad fizyką cząstek wysokoenergetycznych. Ten artykuł leży u podstaw Modelu Standardowego https://home.cern/science/physics/standard-model, naszej najbardziej kompletnej teorii dotyczącej interakcji cząstek we wszechświecie.

I nie ma większego znaczenia to, że należy go zakwalifikować jako standardową hipotezę fizyki!

Tymczasem w świecie nauki trwa wielkie polowanie na cząstki, których brakuje w Modelu Standardowym, a które przez dziesięciolecia wymykają się nauce. Tych związanych z grawitacją, ciemną materią i ciemną energią. I to odbywa się w CERN – tych wytworzonych w akceleratorze, który nazywa się Large Hadron Collider oraz tych pochodzących z kosmosu, które mogą pozostawić swoje ślady w odpowiednich detektorach ziemskich.

Niektórzy sądzą, że jednak jako pierwsze zostaną „upolowane” cząstki elementarne przenoszące ładunek magnetyczny – niejako analogiczne do cząstek, które niosą ładunek elektryczny: elektrony i kwarki stanowiące materie wokół nas.

A wtedy – jak już marzą niektórzy - „Kto wie, może Wielki Zderzacz Hadronów LHC mógłby ustąpić Wielkiemu Zderzaczowi Monopoli LMC - Large Monopole Collider”.