Mniejsz niż kwarki?

Wyniki pomiarów przeprowadzonych ostatnio w FermiLab w USA, gdzie bada się zderzenia z antyprotonami protonów rozpędzonych do największej obecnie energii, zdają się sugerować, że kwarki - uchodzące za punktowe, najprostsze cegiełki materii - kryją w sobie obiekty jeszcze mniejsze. Odkrycie to, jeśli oczywiście zostanie potwierdzone, może mieć bardzo daleko idące konsekwencje.

Sumę naszej wiedzy o świecie cząstek elementarnych stanowi tzw. Model Standardowy opisujący jednocześnie siły rządzące tym mikrokosmosem oraz stwory go zamieszkujące. Sześć znanych kwarków, układających się w trzy pary, odgrywa w nim bardzo ważną rolę - razem z trzema parami tzw. leptonów, do których w szczególności należą elektron i neutrino, tworzy grupę cząstek materii. Model jest tak skonstruowany, że każdej parze leptonów odpowiada para kwarków. Jeśli ta symetria jest naruszona, w modelu pojawiają się tzw. anomalie, które rozsadzają jego matematyczną spójność.

Odkrycie w 1994 roku szóstego kwarka, na który polowano niemal 20 lat, oznaczało zamknięcie kwarkowo-leptonowej układanki i wielki triumf Modelu Standardowego. Mimo tego i innych licznych sukcesów sam model jest tworem niedoskonałym. Stanowi połączenie dwóch jakby rozłącznych teorii oddziaływań elektro-słabych oraz silnych. Zbyt dużo w nim parametrów i wprowadzonych ad hoc założeń. W powszechnym przekonaniu model wymaga uzasadnienia na gruncie bardziej fundamentalnej teorii.

Ważną wskazówką w poszukiwaniach takiej teorii określanej jako Wielka Unifikacja byłoby wskazanie obszarów, w których model rozmija się z doświadczeniem. Jednak mimo ogromnego wysiłku eksperymentatorów rezultaty wszelkich pomiarów świetnie zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi wynikającymi z Modelu Standardowego. Wspomniany na wstępie wynik dotyczący substruktury kwarków byłby pierwszym przypadkiem niezgodności. Frank Wilczek - jeden z twórców teorii kwarków - zatytułował swój komentarz opublikowany ostatnio na łamach "Nature" - Pęknięcie w Modelu Standardowym?

Eksperyment, który sugeruje istnienie wewnętrznej struktury kwarków, przypomina dwa sławne doświadczenia, które doprowadziły do odkrycia kolejno jądra atomowego jako składnika atomu oraz kwarków tworzących proton. Jądro atomowe zaobserwowano w 1911 roku. Cząstki alfa pochodzące z substancji radioaktywnych przechodziły przez cienkie folie metalowe niemal bez przeszkód. Wskazywało to na prawie zupełną przezroczystość materii. Z drugiej jednak strony, wykazano, że jedna na kilka tysięcy cząstek odbija się od folii. Ernest Rutherford, chcąc pogodzić przezroczystość materii z jej zdolnością do zawracania rozpędzonych cząstek, zaproponował planetarny model, w którym lekkie elektrony krążą wokół masywnego jądra. W podobny sposób stwierdzono w latach sześćdziesiątych obecność kwarków w protonie. Okazało się mianowicie, że elektrony, zderzając się z protonami, odbijają się nieraz bardzo mocno, tak jakby oddziaływanie następowało z obłokiem punktowych cząstek - kwarków.

W FermiLab działa akcelerator przyspieszający protony i antyprotony do rekordowej obecnie energii. Ma on kształt okręgu o średnicy 2 km, w którym protony i antyprotony krążą w przeciwnych kierunkach. Ich zderzenia następują w czterech punktach, gdzie umieszczono potężne detektory cząstek. Tam też prowadzi się pomiary. Badając produkty tych zderzeń, zauważono niewielką rozbieżność między przewidywaniami teorii opisującej oddziaływania kwarków a danymi doświadczalnymi.

Kwarki, mówiąc bardzo naiwnie, odbijają się od siebie troszkę zbyt mocno. Autorzy eksperymentu sugerują, że rozbieżność spowodowana jest "twardym" oddziaływaniem hipotetycznych obiektów będących składnikami kwarków. Paradoksalnie, o tym pierwszym domniemanym "pęknięciu w Modelu Standardowym" doniósł ten sam, blisko 500-osobowy zespół fizyków, który dwa lata temu ogłosił o jego bodaj najefektowniejszym sukcesie - sprawdzeniu się przepowiedni o szóstym kwarku.