Částicové Zoo – kvarky

Zvu vás na návštěvu jedné z nejexotičtějších zoologických zahrad vesmíru. Obdivovat v ní dnes budeme pestré a exotické 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.

Částice – všude samé částice!

V první polovině dvacátého století se začaly množit objevy zvláštního charakteru. Při průzkumu vlivu kosmického záření na vnější vrstvy atmosféry a později, při pokusech v urychlovačích, objevili vědci stovky nových, často velice exotických částic. Začali je dělit podle hmotnosti na dvě kategorie – mezony a baryony (se společným názvem „hadrony“).

Původní euforie z nových objevů ale rychle vyprchala. Čím více částic vědci objevili, tím nepřehlednější byl jejich seznam. Situace začala nápadně připomínat stav v zoologické zahradě. Velké množství různorodých jedinců, stejně jako velké množství různých zvířat, vyžadovalo nějaké smysluplné rozdělení do systému kategorií, druhů a rodů.

V minulém století se o něco podobného zasloužil Mendělejev. Vnesl pořádek do změti různých chemických elementů a uspořádal je podle jejich vlastností do logické tabulky. "Dal by se podobně elegantní systém najít i mezi částicemi?" ptali se samozřejmě mnozí z vědců. 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“ (nebo multiplexy). Částice se v nich vzájemně liší zastoupením různých kvarků, ze kterých se skládají. Tato systematika byla úspěšná. Předpověděla i zatím neznámé částice a slavila úspěchy při jejich objevech. 

Za vlastnosti částic je tedy zodpovědná jejich vnitřní struktura, stejně, jako je tomu u chemických elementů. Zatímco se ale atomy skládají z neutronů a protonů, které obíhá hejno elektronů, tvoří hadronové (složené) částice dvojice nebo trojice menších částic - tzv. "kvarků". 

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. Připravte se tedy na různá překvapení.

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). Aby vědci nemuseli používat toto "divoké" číslo, zjednodušují si situaci a definují ho jako "jednotku". Fermiony mají spin poločíselný (1/2 nebo 3/2 jednotky) a bosony celočíselný (například 0, 1 nebo 2).

Jakmile tedy vidíte hodnotu spinu u některé z částic, můžete ji okamžitě přiřadit mezi "býložravce" nebo "dravce" a hned víte, do kterého výběhu v naší exotické  Zoo patří. 

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

Naprostá většina částic, které nejsou elementární (nedělitelné), ale skládají se z jednotlivých kvarků, (pro připomenutí - říká se jim „hadrony“) se mohou skládat ze dvou nebo ze tří kvarků.

V případě, že daná částice obsahuje jen dva kvarky, je její souhrnný, složený spin 0 nebo 1 (podle toho, jestli se spiny obou kvarků sečetly nebo odečetly) – 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. Dané částice se pak nazývají baryony a řadí se mezi fermiony. To jsou částice, které tvoří naši běžnou hmotu.

„Vůně“ nebo „chuť“

Nejedná se o skutečnou vůni nebo chuť, spíše o přirovnání k nim. 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, náš čich není dostatečně citlivý.

Elektrický náboj

Elektrický náboj patří k těm vlastnostem kvarků, které si umíme výjimečně dobře představit. Přesto udivuje vědce i laiky. Není to ani tak tím, že kvarky nějaký elektrický náboj vlastní – jde spíše o jeho velikost. Příroda odvážila náboje kvarků tak přesně, že odpovídají třetinám jiného náboje – náboje elektronu. To je pro hmotu, ze které se skládáme i my, velice důležité. 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.

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 – 1/3 - 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. 

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. I ony se tedy podílejí na tvorbě (exotických) částic s elektrickým nábojem, který má hodnotu "0" nebo "+1". V naší běžné hmotě se tyto částice nevyskytují - jsou nestabilní a rychle se zase rozpadají. Nacházíme je ale všude tam, kde působí vysoké energie, například při pokusech v pozemských urychlovačích částic. 

Hmotnost

Vzhledem  k tomu, že se kvarky nikdy nevyskytují osamoceně a izolovaně, jedná se jen o teoretickou vlastnost. 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

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 charm, nejtěžší jsou pak top a bottom. Na tvorbě hmoty se v našem vesmíru podílí ale jen ta nejlehčí z nich – up a down kvarky z tzv. "první rodiny".

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 se 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), vzniklo dilema: tato částice totiž popírala Pauliho vylučující princip, podle kterého nemohou fermiony (ke kterým 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.

Barvy kvarků nebyly vybrány náhodně. Odpovídají aditivnímu (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 – mezon. 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 v červeném výběhu 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 ošetřovatel, který ji neustále převléká no nových a nových převleků, simulujících určitý druh zebry. A jako by to nestačilo - do těchto obleků se obléká také on sám. Mate tím nejen vás, ale i pomyslného částicového lva, ten má totiž hlad a neví, kterou zebru si má vybrat k obědu.   

Gluony (částice, které zprostředkovávají silnou jadernou interakci) se 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. Pro doplnění – gluonů existuje 8 různých druhů.

Zdají se vám stavy, které panují v dvoukvarkových částicích komplikované? Pak si představte částici, která se skládá ze tří kvarků. 

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 (neplacených a neregistrovaných pomocníků, jejich zeber a antizeber) – máte celkem solidní obrázek, jak to vypadá uvnitř klasických hmotných částic.

Izolovanost - confinement

Přicházíme k poslední zvláštní vlastnosti kvarků. V přírodě se ještě nikdy nepodařilo pozorovat jednotlivý, izolovaný kvark. Vždy, když vědci zkoušeli oddělit některý z nich, vznikaly namísto osamělého kvarku jen další mezony a baryony.

Vysvětlení tohoto jevu nabízí sama podstata silné jaderné interakce, síly, která drží kvarky 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 systému dodali nekonečně vysokou energii ale nikdy nedojde – a to nejen proto, že ji nemáme k dispozici. Už při menších hodnotách přidané energie totiž vznikají v systému nové částice, například antikvark, který se s kvarkem, který se snažíme oddělit, spojí a vytvoří příslušný nový mezon (tedy složený bozon druhé generace).

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 nasupenému nosorožci. V naší částicové Zoo se někdy dějí věci... 

Příště: Částicové Zoo – protony

Zdroje: FermiLab - různé, Wikipedia - různé, spektrum.de - různé, přednášky TU Mnichov.