Warto przeczytać

Poszukiwania podstawowych, niepodzielnych składników materii pokazały, że otaczający nas świat materialny ma złożoną strukturę. Cząsteczki i molekuły zbudowane są z atomów. Pojedynczy atom składa się z jądra atomowego oraz otaczającej go chmury elektronowej. Jądro atomowe składa się z neutronów i protonów. W 1962 roku dwóch fizyków, Murray Gell‑Mann oraz George Zweig, zasugerowało, że neutrony, protony i niektóre inne znane cząstki mogą być zbudowane z bardziej podstawowych składników, nazwanych kwarkami. Murray Gell‑Mann oraz George Zweig postulowali istnienie trzech kwarków: górnego, dolnego i dziwnego. Dziś wiemy, że kwarków jest łącznie sześć.

Pozostałe trzy to kwark powabny oraz kwarki niski i wysoki, zwane też pięknym i prawdziwym. Każdy kwark ma również swój odpowiednik wśród antycząstek, zwany antykwarkiem. Oznaczenia kwarków zamieszczono w tabeli 1. Antykwarki oznacza się poprzez umieszczenie poziomej kreski nad symbolem kwarka, np. kwarkowi dziwnemu $s$ odpowiada kwark antydziwny $\bar{s}$.

Tabela 1. Nazwy, oznaczenia i ładunki kwarków. Symbolem e oznaczono ładunek elementarny

Kwarki są cząstkami fundamentalnymi, czyli takimi, które nie mogą być podzielone na mniejsze elementy i wraz z grupą sześciu innych cząstek fundamentalnych, zwanych leptonami, stanowią podstawowe składniki materii (Rys. 1.). Do leptonów zaliczają się elektron, mion i taon oraz odpowiadające im trzy neutrina: elektronowe, mionowe i taonowe. Tak jak w przypadku kwarków, każdy lepton ma również swój odpowiednik wśród antycząstek. Kwarki, leptony oraz oddziaływania między nimi opisuje Model Standardowy, o którym możesz przeczytać w e‑materiale o tym tytule. Temat antycząstek jest poruszony w trzech e‑materiałach traktujących o kreacji i anihilacji par cząstka‑antycząstka.

R1GJ54oLWrQoY

Rys. 1. Schemat przedstawia graficzną ilustrację treści. Na rysunku w dużym owalu znajdują się cząstki funadmentalne, które stanowią główny napis. Pod cząstkami fundamentalnymi w nawiasie napisane jest słowo niepodzielne. Do cząstek fundamentalnych zaliczamy kwarki i leptony. Są one na rysunku zaznaczone w kółkach. Po lewej stronie są kwarki (6 kwarków i 6 antykwarków) a po prawej są leptony (6 leptonów i 6 antyleptonów).

Cząstki niefundamentalne, takie jak np. proton i neutron, zbudowane są z różnych kombinacji kwarków. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, co możemy zapisać jako $uud$. Neutron zbudowany jest z jednego kwarku górnego i dwóch dolnych, co zapisujemy jako $udd$. W ogólności cząstki zbudowane z kwarków nazywają się hadronamihadronyhadronami. Fizycy znają obecnie wiele hadronów, które dzielą się na różne grupy i podgrupy (Rys. 2.). Cząstki zbudowane z pary kwark‑antykwark, np. cząstka ${\pi }^{+}$ (pion dodatni), którą tworzy para $u\bar{d}$, nazywane są mezonamimezonymezonami. Cząstki, które składają się dokładnie z trzech kwarków należą do grupy barionówbarionybarionów.

R1XhMybCfIaly

Rys. 2. Schemat przedstawia graficzną ilustrację treści. Na rysunku w dużym owalu znajdują się hadrony, które stanowią główny napis. Pod hadronami napisane jest zbudowane z kwarków. Do hadronów zaliczamy bariony i mezony. Są one na rysunku zaznaczone w kółkach. Po lewej stronie są bariony - zbudowane z trzech kwarków a po prawej są mezony - zbudowane z pary kwark-antykwark.

Proton i neutron są zatem hadronamihadronyhadronami należącymi do grupy barionówbarionybarionów. Dodatkowo, należą one do podgrupy nukleonów, czyli składników jąder atomowych. Więcej na temat kwarkowej budowy protonu i neutronu znajduje się w e‑materiale „Z jakich kwarków składa się proton, a z jakich neutron?”.

Ze względów historycznych cząstki fundamentalne, jak i złożone określa się mianem cząstek elementarnych. Zgodnie z tą konwencją przyjmiemy, że termin cząstki elementarne określa wszystkie cząstki subatomowe.

Kwarki mają zaskakujące własności. Jedną z najbardziej nieoczywistych cech kwarków jest to, że obdarzone są ułamkowym ładunkiem elektrycznym (patrz tabela 1.). Kwarki górny, powabny i wysoki obdarzone są ładunkiem +2/3 $e$, natomiast kwarki dolny, dziwny i niski ładunkiem -1/3 $e$, gdzie $e$ oznacza ładunek elementarny, czyli ładunek niesiony przez pojedynczy proton. Antykwarki mają ładunki przeciwne do odpowiadających im kwarkom, np. ładunek kwarka antydziwnego wynosi +1/3 $e$.

Ładunki mniejsze niż elementarny nie są obserwowane w przyrodzie, jak to jest więc możliwe, że kwarki mają ułamkowy ładunek? Jest to związane z kolejną ich cechą. Mianowicie, kwarki nigdy nie występują samodzielnie. Nie ma możliwości zaobserwowania pojedynczego kwarku. Kwarki występują tylko i wyłącznie w hadronach, czyli barionach i mezonach. Mało tego, występują w takich kombinacjach, że wypadkowy ładunek cząstki, którą tworzą, jest zawsze wielokrotnością ładunku elementarnego lub wynosi zero. Weźmy dla przykładu omawiany już proton. Jeżeli zsumujemy ładunki dwóch kwarków górnych (po +2/3$e$) i jednego dolnego (-1/3$e$) otrzymamy ładunek 1$e$, czyli dokładnie ładunek protonu.

Co powoduje, że kwarki mogą tworzyć bardziej złożone obiekty? Jądro atomowe oraz elektrony tworzą wspólnie atom dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu występującemu między nimi. Analogicznie jest w przypadku kwarków, choć oddziaływanie elektromagnetyczne odgrywa tu drugorzędną rolę. Kwarki znajdujące się wewnątrz cząstki oddziałują na siebie wzajemnie tak zwanym oddziaływaniem silnym. Nazwa oddaje rzeczywistość: jest to najsilniejsze z czterech występujących oddziaływań fundamentalnych. Zasięg tego oddziaływania jest bardzo krótki, rzędu 1 fm (czyt. femtometra), czyli ${10}^{-15}$ m. Jest to odległość porównywalna z rozmiarami protonu. Na takich odległościach oddziaływanie to jest 137 razy silniejsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne i wiele rzędów wielkości większe niż pozostałe dwa typy oddziaływań: grawitacyjne i słabe. Podstawowe własności oddziaływań fundamentalnych przedstawia tabela 2.

Tabela 2. Cztery oddziaływania fundamentalne i podstawowe ich właściwości

Kwarki różnią się między sobą nie tylko ładunkiem, ale również innymi wielkościami fizycznymi, np. masą. Najlżejszymi kwarkami są kwarki górny oraz dolny. Kwarki $u$, $d$ oraz elektron są podstawowymi cegiełkami budującymi nasz świat materialny. Wszystkie nukleony, atomy, cząsteczki, molekuły i bardziej złożone obiekty zbudowane są z tych trzech cząstek fundamentalnych. Cząstki złożone, w skład których wchodzą cięższe kwarkikwarkikwarki, obserwowane są np. w zderzeniach wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego z atmosferą ziemską lub w eksperymentach naukowych. Więcej na temat budowy materii można znaleźć w e‑materiale „Z czego składa się materia?”. Świat cząstek elementarnych, kwarków, leptonów i oddziaływań między nimi jest niezwykle bogaty i interesujący. Wytworzenie w warunkach laboratoryjnych niektórych cząstek jest wyjątkowo skomplikowane i wymaga olbrzymiej energii, dlatego też fizyka cząstek elementarnych nazywana jest także fizyką wielkich energii.

Słowniczek