Cząstki elementarne

Jeśli Wszechświat porównać do murowanego domu, to jednym z głównych celów nauki jest poznanie podstawowych elementów, z jakich jest on zbudowany - rodzajów cegieł, a także składników zaprawy. Z tych podstawowych elementów składa się też cały otaczający nas świat, a fizycy nazywają je cząstkami elementarnymi.

Wielu greckich filozofów wierzyło, że istotą materii jest kombinacja czterech naturalnych żywiołów - ognia, wody, ziemi i powietrza - a jej tworzywo jest ciągłe, tzn. nie jest ziarniste, można je dzielić w nieskończoność. Natomiast zdaniem Demokryta z Abdery, żyjącego w IV wieku przed Chrystusem, wszystkie substancje składają się z nieskończenie małych, niepodzielnych i wiecznych cząstek - atomów.
Tego samego zdania byli jeszcze fizycy w końcu XIX wieku. Ale już współczesny fizyk powie, że atomy są podzielne, a najbardziej elementarnymi cegiełkami materii są leptony (m. in. elektrony) i kwarki (tworzące m. in. protony i neutrony w jądrach atomów).

Pozostaje jeszcze zaprawa, która spaja materię. Elementarne cegiełki materii wzajemnie działają na siebie różnymi siłami, dzięki czemu mogą wiązać się i tworzyć bardziej lub mniej trwałe obiekty (atomy, ciecze, ciała stałe, układy planetarne, galaktyki). Dzięki tym siłom świat jest pełen energii, która jest źródłem wszelakich zmian w materii. Okazało się przy tym, że energia - podobnie jak materia - również jest podzielona i przenoszona w elementarnych, maleńkich porcjach, zwanych kwantami. Po raz pierwszy zauważył to sto lat temu niemiecki fizyk Max Planck, który stwierdził, że światło, tj. energia związana z siłami elektromagnetycznymi, jest pochłaniane i emitowane w porcjach. W 1905 roku Einstein rozszerzył tę myśl, postulując istnienie cząstek światła - fotonów. Później okazało się, że jest to przykład pewnej ogólnej reguły - z każdym rodzajem sił (energii) w przyrodzie są związane kwanty, tzw. bozony pośredniczące. Zarówno fotony, jak i inne bozony pośredniczące również zaliczane są do cząstek elementarnych.
Podsumowując, cała struktura materii jest oparta na cząstkach. Istnieją "cząstki-cegiełki", które budują materialne obiekty (leptony i kwarki - fermiony), a także "cząstki-zaprawy", które odpowiadają za działające siły albo - jak mówią fizycy - przenoszą różne oddziaływania (kwanty pól siłowych - bozony pośredniczące).

Cząstka elementarna to podstawowy składnik materii. Obecnie nie jest możliwe sformułowanie ścisłej definicji cząstek elementarnych, która ustalałaby zasady ewentualnego zaliczania nowo odkrywanych obiektów do tej kategorii materii. W praktyce cząstką elementarną nazywa się każdy obiekt o czasie życia od około 10-24 sekundy do nieskończoności i masie od 0 do około 10-30kg, którego nie można opisać jako układu złożonego z innych cząstek elementarnych, np. atomy, jądra atomowe.

ELEKTRON

Pod koniec XIX wieku fizykom wydawało się, że poznali i zrozumieli wszystkie prawa natury. Mechanikę, elektryczność, magnetyzm i grawitację zamknięto w paru prostych i zgrabnych równaniach matematycznych. Pierwiastki chemiczne uporządkowano w tablicy Mendelejewa.

Pozostało tylko kilka nierozwiązanych problemów, z którymi jednak - jak sądzono - łatwo będzie można się uporać. Tymczasem stały się one pierwszymi kamykami lawiny, która na przełomie wieków w ciągu zaledwie kilku lat naruszyła solidny gmach XIX-wiecznej fizyki. Opis mikroświata wymagał nowych praw.

Jednym z takich kamyków było odkrycie w 1897 roku przez Josepha Johna Thomsona elektronu, czyli ujemnie naładowanego składnika atomów - pierwszej z cząstek nazwanych później elementarnymi. Przełomowa praca Thomsona zawierała pomiar stosunku masy do ładunku cząstki będącej składnikiem promieniowania katodowego. Co prawda tę wielkość zmierzył w tym samym czasie także inny uczony - Walter Kaufman, i to z większą dokładnością, ale o sławie Thomsona przesądziło spostrzeżenie, że stosunek masy do ładunku jest niezależny od materiału, z którego wykonano katodę, i natychmiastowy wniosek - że cząstka ta jest podstawowym składnikiem atomów, budulcem wszystkich pierwiastków chemicznych. Thomson wyjaśnił też naturę zjawiska prądu elektrycznego jako przepływu elektronów.
Elektron, cząstka posiadająca ujemny ładunek elementarny o wartości -1, 602*10-19C, był pierwszą z cząstek, uznawanych dziś za elementarne. Zdarzenie to można więc uznać za narodziny fizyki cząstek elementarnych. Wraz z odkryciem elektronu runął też mit, że atomy - jeśli w ogóle istnieją, bo bywało to jeszcze wtedy podawane w wątpliwość - są twarde i niepodzielne. W 1911 roku nowozelandzki fizyk Ernest Rutherford doszedł do wniosku, iż cały dodatni ładunek elektryczny atomów jest skoncentrowany w niewielkim jądrze, w którym też skupia się niemal cała masa atomu. W 1913 roku powstał słynny model budowy atomu Nielsa Bohra, w którym elektrony, niczym planety, okrążają dodatnio naładowane jądro, przy czym tylko niektóre orbity są dla nich dozwolone. Dziś sądzimy, że ruch elektronu w atomie przypomina raczej drgania struny albo membrany, niż przemieszczanie się po określonej trajektorii.

Dotychczasowe badania nie wykazały istnienia struktury elektronu. Jego wielkość wynikająca z założenia, że cała masa elektronu wynika z elektrostatycznego oddziaływania własnego ładunku elektrycznego wynosi w przybliżeniu r=2, 82*10-15m.

Tak więc nauka wkroczyła w dwudziesty wiek z jedną elementarną cząstką, składnikiem atomów - elektronem, którego nazwę zapożyczono z teorii elektrolizy.

PROTON I NEUTRON

Czternaście lat po opublikowaniu pracy Thomsona, w 1911 r. , Ernest Rutherford odkrył następny składnik atomów, mianowicie jądra atomowe. W 1919 roku Rutherfordowi udało się po raz pierwszy rozbić jądro azotu na dwie części składowe – jądro tlenu i jądro wodoru. Rutherford spekulował, że właśnie jądra najlżejszego atomu wodoru są cegiełkami, z których zbudowane są wszystkie inne jądra atomowe. Stwierdzono, że jądra atomowe nie mogą być niepodzielnymi składnikami materii, jako że radioaktywne jądra emitują elektrony oraz inne, dodatnio naładowane i znacznie cięższe cząstki, nazwane protonami (pierwszymi cząstkami), o masie spoczynkowej równej 1836, 1 mas elektronu (1, 00727 atomowych jednostek masy), którego czas życia jest nie mniejszy niż 1032 lat. Rutherford domyślał się też, że w jądrach cięższych od wodoru obok dodatnio naładowanego protonu znajdują się jeszcze cząstki obojętne elektrycznie, które nazwał zawczasu neutronami, o masie równej 1, 6748*10-27kg. Ten drugi składnik jąder atomowych odkrył jednak dopiero jego asystent, James Chadwick, w 1932 roku. Swobodny neutron nie jest cząstką trwałą, z czasem połowicznego rozpadu równym 932 sekundy ulega rozpadowi beta; w jądrze atomowym jest jednak cząstką trwałą. Za pomocą obojętnych elektrycznie neutronów można było łatwiej penetrować wnętrze atomów i wywoływać reakcje jądrowe - otwarła się droga do budowy bomby atomowej.

Wydawało się wtedy, że cała materia zbudowana jest z zaledwie trzech rodzajów cząstek. Tablica kilkudziesięciu pierwiastków Mendelejewa została zastąpiona przez niezwykle prosty schemat, w którym tkwiły jedynie protony i neutrony, tworzące jądra atomowe, oraz elektrony, obiegające jądro niczym planety Słońce.

POZYTON I NEUTRINO

W tym samym roku co neutron odkryto pierwszą antycząstkę - partnera elektronu o przeciwnym ładunku, nazwanego pozytonem. Istnienie pozytonu zostało jednak przewidziane teoretycznie już wcześniej przez Paula Diraca, twórcę teorii elektronów, pierwszej teorii fizycznej zgodnej jednocześnie z zasadami mechaniki kwantowej i szczególnej teorii względności Obecnie wiemy, że każda cząstka ma swoją antycząstkę, z którą może anihilować. Anihilacja polega na tym, że cząstka i antycząstka znikają, a kosztem ich energii spoczynkowych i kinetycznych powstają inne, lżejsze cząstki. Przy anihilacji elektronu i pozytonu wytwarzają się zazwyczaj dwa, czasem trzy fotony. Później z fotonów mogą powstać inne cząstki i antycząstki. Niedawno udało się nawet wytworzyć kilkanaście atomów antywodoru, złożonych z antyprotonu jako jądra atomowego i pozytonu zamiast ujemnego elektronu. W 1936 r. została odkryta przez Carla Andersona następna cząstka, zbliżona właściwościami do elektronu, lecz około 207 razy od niego cięższa - tzw. mion. Pod koniec lat czterdziestych udało się zaobserwować istnienie kilku innych cząstek: pionów, które są przejawem działania sił elektrycznych odpychających protony, kaonów i szczególnie ciężkich hiperonów. Można zauważyć, że z czasem liczba znanych nauce cząstek znacznie się zwiększała, ale prawdziwie lawinowy jej wzrost nastąpił w latach pięćdziesiątych. Wtedy to odkryto bardzo ważną teoretycznie cząstkę - neutrino, której istnienie podejrzewano już w 1930 r. , ale której z powodu bardzo słabego oddziaływania nie udało się przedtem zaobserwować.
Neutrino to elementarna, niezwykle lekka i niemal nieuchwytna cząstka materii. Rozwiązała kłopoty, jakie fizycy mieli z wyjaśnieniem jądrowego rozpadu beta.

Wydawało się, że sprawa jest banalnie prosta - promieniowanie beta to elektrony wyrzucane przez jądra promieniotwórczych atomów. Z praw zachowania energii i pędu wynikało, że elektron nie może wylatywać z jądra z dowolną prędkością. Pomiar energii elektronów zawsze powinien dawać jedną, określoną wartość.

W 1927 roku Charles Ellis i William Wooster ze zdziwieniem odkryli jednak, że elektrony promieni beta nie chcą respektować praw fizyki - mają całe spektrum różnych prędkości i energii.
Niektórzy fizycy chcieli już uznać, że podstawowe prawa fizyczne nie obowiązują zawsze i wszędzie. "Nie ma żadnego argumentu zarówno doświadczalnego, jak i teoretycznego, który by bronił prawa zachowania energii w tym przypadku" - mówił słynny duński fizyk Niels Bohr, jeden z największych wówczas autorytetów.

Nie zgodził się z nim niemiecki fizyk Wolfgang Pauli. Aby obronić uniwersalność podstawowych praw fizyki, wymyślił neutrino. Pauli założył, że wraz z elektronem jądro promieniotwórczego pierwiastka opuszcza jeszcze jedna cząstka. I dopiero suma energii tej cząstki i elektronu jest stała - dokładnie taka, jak wynika z praw zachowania. Ale dlaczego w eksperymentach widać tylko promienie beta, a po tej dodatkowej cząstce nie ma śladu? Pauli twierdził, że nikomu jeszcze nie udało się zobaczyć tego towarzysza elektronu, ponieważ nie ma on ładunku elektrycznego i bardzo słabo oddziałuje na materię.
Uczony długo musiał czekać na potwierdzenie swej rewolucyjnej hipotezy. Dopiero 26 lat później, w 1956 roku, zaobserwowano w detektorach ślady neutrin. "Z radością informujemy pana, że definitywnie wykryliśmy neutrina. . . " - pisali w telegramie do Pauliego autorzy tego eksperymentu - Clyde Cowan i Fred Reines.

Okazało się, że neutrina istnieją. I co więcej, w każdym metrze sześciennym Wszechświata znajdują się miliardy tych cząstek (wyprodukowanych w czasie Wielkiego Wybuchu, jak i powstających codziennie w rozpadach promieniotwórczych we wnętrzu gwiazd). Cząstki te jak duchy przemierzają kosmos, są niezwykle przenikliwe, materia prawie nie stanowi dla nich przeszkody (ktoś obliczył, iż do zatrzymania neutrina potrzeba tarczy z ołowiu o grubości roku świetlnego). Neutrina stale przeszywają nasze ciała, choć nie mamy tego świadomości.

Z czasem okazało się, że istnieją trzy rodzaje neutrin - dziś zwane neutrinem elektronowym, neutrinem mionowym i neutrinem taonowym. Do dzisiaj jednak dość słabo znamy własności tych cząstek. Najważniejszą zagadką pozostaje masa neutrin.

Dość długo nie było wiadomo, czy neutrina mają masę spoczynkową (gdy są w bezruchu), czy są bezmasowe. Dopiero w czerwcu 1998 roku eksperyment przeprowadzony w starej japońskiej kopalni dowiódł, że neutrina mają masę. Prawdopodobnie są setki tysięcy razy, a może i miliard razy lżejsze, niż najlżejsza dotąd cząstka materii - elektron.

Paradoksalnie jednak - od masy neutrin, tak niewielkiej, że niemal na granicy czułości najlepszych dziś detektorów, zależy przyszłość całego Wszechświata!

Choć pojedyncze neutrino może ważyć niewiele, tak dużo jest tych cząstek w każdym centymetrze sześciennym Wszechświata, że łącznie wszystkie neutrina stanowią znaczny ułamek masy Wszechświata. A wartość całkowitej masy Wszechświata decyduje, czy będzie się on dalej bez przerwy rozszerzać, czy też w pewnym momencie zacznie się kurczyć.

Już obecnie astrofizycy są zgodni, że widoczne przez teleskopy gwiazdy, galaktyki i obłoki międzygwiezdne stanowią tylko jedną dziesiątą materii Wszechświata. Galaktyki bowiem obracają się za szybko, co oznacza, że utrzymuje je na uwięzi jakaś dodatkowa siła grawitacji, pochodząca od dodatkowej, niewidocznej masy.

Niezwykły jest ten związek fizyki kosmosu z fizyką mikroświata. Gdyby np. wskutek obserwacji astrofizycznych okazało się, że ruch galaktyk można w pełni wyjaśnić masą obiektów makroskopowych - planet i gwiazd - to z tego wynikałoby, iż neutrina są bezmasowe. I na odwrót - potwierdzenie w ziemskich laboratoriach, iż neutrina mają masę, pomaga wyjaśnić kwestię szybszego ruchu galaktyk i tajemnicę "ciemnej masy" Wszechświata.

KWARKI, LEPTONY, GLUONY

W latach pięćdziesiątych zbudowano wiele akceleratorów i komór Glasera (komór pęcherzykowych). Pierwsze z nich służyły do wytwarzania, drugie do wykrywania cząstek. Liczba znanych cząstek, ciągle zwanych elementarnymi, rosła w zastraszającym tempie. Naukowcy nie mogli już liczyć na Nagrodę Nobla za dodanie jeszcze jednej cząstki do ich zbioru (a noblistami zostali i Thomson, i Rutherford, i Chadwick), jako że co roku donoszono o zaobserwowaniu kilku nowych cząstek. Odkryto wiele indywiduów zbliżonych właściwościami do pionów, kaonów, nukleonów i hiperonów, ale cięższych niż tamte. Powstał zatem problem - skoro jest tak wiele cząstek, to czy wszystkie można nazywać elementarnymi? Wydawało by się, że cząstek elementarnych powinno być kilka, może kilkanaście, a nie setki! Które ze znanych cząstek należy wyróżnić jako elementarne?

Pytanie pozornie jest banalne - oczywiście elementarne są te, których nie można rozbić na żadne inne. Niestety, okazuje się, że odpowiedź nie jest taka prosta. Gdy elektrony czy pozytony zderzą się ze sobą nawzajem, lub z jądrem atomowym, mogą powstać nowe elektrony i pozytony, ale ciężko powiedzieć o nich, że powstały w wyniku rozbicia elektronu. W wyniku zderzenia protonów powstają piony, a z kolei gdy zderzyć ze sobą piony tworzą się protony i antyprotony. Sam proton można otrzymać na dziesiątki różnych sposobów, między innymi w wyniku zderzenia neutronu i pionu, kaonu i hiperonu, czy dwóch neutronów i antyneutronu.

Od początku istnienia fizyki kwantowej niektórzy jej przedstawiciele (m. in. Werner Heisenberg i Wolfgang Pauli) uważali, że nie cząstki stanowią o naturze materii, a różne pola, których cząstki są jedynie zaburzeniami (tj. elektron jest zaburzeniem pola elektronowego, foton pola fotonowego, itp.). Zgodnie z tym cząstkę uznaje się za elementarną wtedy, gdy pole, którego jest zaburzeniem, jest elementarne. Definicja ta miała jednak jedną, ale za to zasadniczą wadę - dla przeważającej większości cząstek po prostu nie znano postaci tych pól. Inni teoretycy w latach pięćdziesiątych uznali, że nie ma sensu rozróżnienie między elementarnymi i złożonymi cząstkami. Ten pogląd wypowiedział w 1975 r. wspomniany już Werner Heisenberg: "Różnica między elementarnymi i złożonymi cząstkami właściwie zanikła. Niewątpliwie to właśnie jest najważniejsze odkrycie ostatnich pięćdziesięciu lat". Nie wszystkich jednak takie postawienie sprawy zadowalało, tym bardziej, iż badając zderzenia protonów z innymi protonami lub elektronami poruszającymi się z ogromną szybkością wykryto, że proton zbudowany jest z trzech mniejszych cząstek.

W powieści Jamesa Joyce'a "Finnegan's Wake" znajduje się zdanie: "Three quarks for Mister Mark!" ("Trzy kwarki dla pana Marka"). Na tej podstawie Murray Gell-Mann (Nagroda Nobla w 1969 r.), nazwał te cząstki kwarkami. Tak powstała powszechnie akceptowana teoria cząstek elementarnych zwana Modelem Standardowym. Według niej elementarnymi cząstkami są kwarki, leptony, cząstki odpowiedzialne za oddziaływania między nimi, oraz antycząstki wymienionych cząstek.

Kwarki to fundamentalne cząstki elementarne oddziałujące silnie oraz słabo i elektromagnetycznie, które posiadają ułamkowe ładunki elektryczne (w jednostkach ładunku elementarnego).
Istnieje sześć rodzajów kwarków zwanych zapachami (flavour): u (górny - up), d (dolny - down), s (dziwny - strange), c (powabny - charm), b (spodni - bottom lub piękny - beauty) oraz t (prawdziwy - true lub szczytowy - top). Wyróżnia się trzy generacje kwarków, które tworzą parami: u i d, c i s oraz t i b.

Kwarki mają bardzo szczególne właściwości. Ich wzajemnymi oddziaływaniami rządzi siła, która - w przeciwieństwie, na przykład, do siły grawitacji lub elektromagnetycznej - wcale nie słabnie, gdy odległość między kwarkami rośnie. Wskutek tego kwarki są na zawsze uwięzione wewnątrz innych cząstek.

Nie udało się jeszcze nikomu zauważyć pojedynczego, swobodnego kwarka. Natomiast zdołano je "wyczuć", bombardując protony - podobnie jak uderzając w napompowany balon można wyczuć, że coś jest w jego wnętrzu.

Leptonów mamy sześć, są to: elektron, mion, niedawno odkryta cząstka tau oraz odpowiednie neutrina: elektronowe, mionowe i tauonowe. Są to z wyjątkiem cząstki tau, cząstki bardzo lekkie.
Następny rodzaj sił to silne oddziaływania jądrowe, które wiążą protony i neutrony w jądrach atomowych, a także kwarki w samych protonach i neutronach oraz innych złożonych cząstkach. Cząstki przenoszące te bardzo silne, ale krótkozasięgowe oddziaływania to gluony (z angielskiego glue - klej). Uważa się, że istnieje osiem rodzajów gluonów, ale żadnego z nich nie udało się zaobserwować jako cząstki swobodnej. Model Standardowy nie jest teorią kompletną. Brakuje w nim opisu siły najważniejszej w skali makro, mianowicie grawitacji. Uważa się, że przenosić ją mogą cząstki nie posiadające masy spoczynkowej, nazwane grawitonami. Kwantowa teorii grawitacji ciągle nie istnieje, mimo że pracują nad nią wielcy współcześni fizycy - jak Stephen W. Hawking. Niektórzy teoretycy uważają, że pełny opis Wszechświata może dać tzw. teoria superstrun, w której pojęcie cząstki elementarnej znów traci znaczenie, a elektron czy kwark jawią się jako niskoenergetyczne mody drgań struny.

FOTON

Końcowa grupa cząstek elementarnych w Modelu Standardowym to cząstki, za pomocą wymiany których opisuje się oddziaływania między innymi cząstkami. Najbardziej znaną z nich jest foton, który odpowiada za oddziaływania elektromagnetyczne. Odpychanie się dwóch elektronów czy wzajemne przyciąganie protonu i elektronu polega właśnie na wymianie fotonów. Fotony nie posiadają masy spoczynkowej, mimo to ich wiązkę można zaobserwować jako falę elektromagnetyczną (np. światło widzialne).

Hipotezę istnienia fotonu wysunął w 1905 roku Albert Einstein. Foton to kwant pola promieniowania elektromagnetycznego. Masa spoczynkowa fotonu równa jest zero (oszacowanie eksperymentalne daje wielkość < 10-48g), porusza się z prędkością światła, ma energię E=hn, (gdzie h - stała Plancka, n - częstotliwość odpowiadającej fali elektromagnetycznej), jest bozonem nie posiadającym momentu magnetycznego ani ładunku elektrycznego.

Fotony powstają w wyniku przejścia układu, np. atomu lub jądra atomowego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii, podczas zmiany pędu cząstki naładowanej, a także w wyniku anihilacji par elektron-pozyton.

Foton oddziałuje elektromagnetycznie ze wszystkimi cząstkami elementarnymi. Teorię fotonu i jego oddziaływań jest przedmiotem badań elektrodynamiki kwantowej.

W latach przed pojawieniem się modelu kwarków za cząstki elementarne uważano proton, neutron, hiperony, mezony, foton, leptony oraz tzw. cząstki rezonansowe (i ich antycząstki). Już w latach 60-tych znanych było ponad 100 cząstek elementarnych, w obecnej chwili znanych jest ich kilkaset.

Hipoteza istnienia kwarków jako składników protonu, neutronu, hiperonów, mezonów, oraz wszystkich cząstek rezonansowych pozbawiła wyżej wymienione cząstki prawa do miana "elementarne". Mimo ewidentnego potwierdzenia eksperymentalnego istnienia struktury tych cząstek, ze względów historycznych wykorzystuje się dalej nazwę - cząstki elementarne - do określenia tej grupy cząstek.

Do tej pory nie wykryto żadnych części składowych kwarków. Na tym więc na razie zakończyło się dzielenie materii. Od lat 60. fizycy zajmują się porządkowaniem odkrytej struktury materii. I jak na razie - wszystko pasuje do obowiązującego schematu, zwanego Modelem Standardowym.