To ciekawe

Fizycy od wieków dążyli do poznania elementarnych składników budowy materii. Liczba cząstek, które uważano za niepodzielne ciągle malała. Do 1964 roku, gdy Murray Gell‑Mann i George Zweig postawili hipotezę istnienia kwarków, uważano, że najmniejszymi, elementarnymi składnikami atomów są: elektrony, protony i neutrony. W latach 1967 – 1973 hipotezę istnienia kwarków potwierdzili doświadczalnie trzej fizycy: Henry Kendall, Jerome I. Friedman i Richard E. Taylor, za co otrzymali Nagrodę Nobla w roku 1990.

Eksperymenty dotyczące badania struktury materii wymagają rozpędzania cząstek do prędkości bliskich prędkości światła. Wiele z nich przeprowadzono w CERN – Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych koło Genewy, gdzie największym urządzeniem przyspieszającym cząstki jest Wielki Zderzacz Hadronów – LHC.

R15iVDNyAmZNc

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia widok na prawobrzeżną Genewę i jezioro Genewskie z lotu ptaka. Widać liczne prostokąty obrazujące zabudowania, niebieskie plamy obrazujące zbiorniki wodne. Linią ciągłą w postaci wielkiego okręgu zaznaczono tor Wielkiego Zderzacza Hadronów, który znajduje się ok. 100m pod ziemią. W postaci chmurek niebieskich oznaczono Jezioro Genewskie w prawym górnym rogu fotografii oraz Lotnisko w Genewie nieco poniżej. Chmurkami żółtymi oznaczono Wielki Zderzacz Hadronów w lewym dolnym rogu zdjęcia, ośrodek CERN oraz tunel LHC jako powiększony fragment tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów.

W 2012 roku wytworzono tam cząstkę Higgsa, co potwierdziło słuszność teorii, zwanej Modelem Standardowym. Rok później Peter Higgs i François Englert otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki za teorię, która przewidywała istnienia bozonu Higgsa i jego eksperymentalne potwierdzenie.

Warto przeczytać

„Zajrzyjmy” do wnętrza atomu i przeanalizujmy jego budowę (Rys. 1.). Atom składa się z jądra atomowego i elektronów – niepodzielnych cząstek o ujemnym elementarnym ładunku elektrycznym „-$e$” ($e$ – ładunek elementarny). W jądrze atomu skupiona jest prawie cała jego masa. Jądro składa się z protonów o ładunku dodatnim (+$e$) i obojętnych elektrycznie neutronów. Protony i neutrony, cząstki o masie około 1840 razy większej od masy elektronu, składają się z kwarków. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, kwarki nie posiadają wewnętrznej struktury, należą do podstawowych składników materii – budują inne cząstki.

RhpSI58lHuY6V

Rys. 1. Ilustracja przedstawia schematycznie składniki struktury materii i ich rozmiary. W górnej lewej części ilustracji znajduje się szary, owalny kształt symbolizujący materię. Jeden z elementów materii zakreślony został niewielkim białym okręgiem, który symbolizuje zbliżenie na ten fragment. Wielkość przestrzenna tego elementu opisana została jako jeden metr. W powiększeniu ułożonym nieco niżej i odrobinę z prawej strony, zaprezentowana jest wypukła powierzchnia składająca się z małych ciemno‑szarych kulek. Kulki symbolizują atomy. Na jeden z atomów wskazuje biała strzałka, nad którą widoczny jest opis: "Wszystkie rzeczy na świecie składają się z atomów". Ich rozmiar jest rzędu dziesięć do potęgi minus dziesiątej metra. Poniżej pokazano powiększenie jednego z atomów. Atom w powiększeniu składa się z kulistego jądra zawierającego nukleony oraz krążących wokół jądra elektronów. Nukleony w jądrze narysowano w postaci niebieskich i czerwonych kulek tworzących większą kulkę o rozmiarach rzędu dziesięć do potęgi minus czternastej metra. Elektrony krążą umownie po orbitach kołowych wokół jądra atomowego. Pokazano je w postaci niebieskich kulek z białą poświatą wokół mniejszych od nukleonów. Elektrony nie posiadają struktury wewnętrznej. Poniżej pokazano schematycznie powiększenie jądra atomowego, składa się ono z czerwonych i niebieskich kulek symbolizujących nukleony. Niebieskie kulki opisane są jako protony, a czerwone jako neutrony. Rozmiar nukleonów jest rzędu dziesięć do potęgi minus piętnastej metra. Poniżej, jako ostatnie, pokazano schematyczne powiększenie jednego z protonów. Na niebieskim tle widoczne są trzy kulki tworzące wierzchołki trójkąta równobocznego, którego pozioma podstawa znajduje się u góry, a ostry wierzchołek u dołu. Pozioma podstawa trójkąta to kulki niebieska i czerwona, a wierzchołek to kulka zielona. Kolorowe kulki symbolizują kwarki. Protony i neutrony składają się z kwarków. Kwarki nie posiadają wewnętrznej struktury, a ich rozmiar jest rzędu dziesięć do potęgi minus osiemnastej metra. Ilustracja opisana jest jako "Składniki struktury materii i ich rozmiary."

Obecnie obowiązującą teorią, która opisuje podstawowe składniki budowy materii oraz oddziaływania fundamentalne, jest Model StandardowyModel StandardowyModel Standardowy. Model ten wyróżnia następujące grupy cząstek elementarnych:

• cząstki materii: leptony i kwarki,

• cząstki przenoszące oddziaływania, zwane nośnikami oddziaływań.

Grupa leptonów składa się z 6 cząstek:

• elektron ($e^{-}$) i neutrino elektronowe (${\nu }_e$),

• mion (${\mu }^{-}$) i neutrino mionowe (${\nu }_{\mu }$),

• taon (${\tau }^{-}$) i neutrino taonowe (${\nu }_{\tau }$).

Każda z tych cząstek ma swoją antycząstkę – cząstkę o tej samej masie i czasie życia, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego i innych liczb kwantowych. Antycząstką elektronu jest pozyton ($e^{+}$), nazywany też dodatnim elektronem.

Leptony nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych, które wiążą nukleony w jądro atomowe. Elektron jest trwałą cząstką, zaś mion i taon są nietrwałe i rozpadają się na inne cząstki. Masa mionu jest ponad 200 razy większa od masy elektronu, zaś taon ma jeszcze większą masę – ponad 3000 razy większą od masy elektronu. Elektron, mion i taon mają takie same ujemne ładunki „-e”, gdzie $e$ – ładunek elementarny.

Neutrina to bardzo małe, obojętne elektrycznie cząstki, które bardzo słabo oddziałują z materią. Nazwy neutrin są związane z nazwami cząstek, którym towarzyszą. Istnienie neutrina jako cząstki towarzyszącej elektronowi w rozpadzie $\beta$ zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w latach trzydziestych XX wieku, a zarejestrowano je dopiero po 20 latach. Istnienie neutrina taonowego zostało potwierdzone w roku 2000.

Neutrina należą do najbardziej przenikliwych cząstek i bardzo trudno je zarejestrować. Detektory neutrin umieszcza się głęboko pod ziemią. Detektor Kamiokande, umieszczony w starej kopalni w Japonii, to ogromny zbiornik wodny i ponad 10 tysięcy detektorów, które rejestrują błyski światła wywołane przez cząstki naładowane, powstające przy zderzeniach z neutrinami. Tam zarejestrowano neutrina powstałe podczas wybuchu Supernowej 1987A, a dwa lata później neutrina słoneczne. Tam, w unowocześnionym detektorze nazwanym Super‑Kamiokande, w 2013 roku zaobserwowano oscylacje neutrin, czyli przekształcanie się neutrin jednego rodzaju w neutrina innego rodzaju i z powrotem. Odkrycie tego zjawiska było potwierdzeniem, że neutrina mają masę.

R1erblsgLIx7C

Rys. 2. przedstawia fragment wnętrza wodnego detektora Super‑Kamiokande w Japonii. Pokazane wnętrze detektora ma postać walca z ogromną ilością fotodetektorów na dnie i na ścianie bocznej walca. Dno detektora ma niebieskie zabarwienie wynikające z napełniania go wodą.

O tym jak ważne są te badania dla poznania struktury Wszechświata świadczy fakt, że za badania nad naturą neutrin przyznano Nagrody Nobla w latach: 1988, 1995, 2002 i 2015.

Kwarki to cząstki elementarne o ułamkowych ładunkach elektrycznych ($\pm \frac{1}{3}e$, $\pm \frac{2}{3}e$). Oprócz tej cechy kwarki mają jeszcze inną cechę zwaną kolorem. „Kolory” kwarków (czerwony, niebieski, zielony) nie mają nic wspólnego z kolorami widzialnymi. Termin ten został wprowadzony przez fizyków przy opisie matematycznym modelu. Kwarki istnieją tylko w stanie związanym, nie obserwuje się ich w stanie swobodnym.

Istnieje 6 kwarków, które fizycy łączą w pary:

• górny (up) i dolny (down),

• powabny (charm) i dziwny (strange),

• szczytowy (top) i denny (bottom).

Kwarki oznacza się zwykle pierwszymi literami ich nazw w języku angielskim, czyli: $u$, $d$, $c$, $s$, $t$, $b$. Kwarki: $u$, $c$, $t$ mają ładunki dodatnie +2/3$e$, zaś kwarki $d$, $s$, $b$ ładunki ujemne -1/3$e$. Podobnie jak w przypadku leptonów każdy kwark na swoją antycząstkę o przeciwnym ładunku elektrycznym.

Kwarki budują inne cząstki dzięki oddziaływaniom silnym. Są to te same oddziaływania, które wiążą nukleony w jądrze atomowym. Proton składa się z dwóch kwarków $u$ i jednego $d$, a neutron z dwóch kwarków $d$ i jednego $u$. Można to przedstawić graficznie, jak na przykład na Rys. 3.

R1LqPrbeaFyOV

Rys. 3.a) Schemat struktury kwarkowej protonu przedstawiony w postaci koła o czerwonych rozświetlonych krawędziach, zawiera trzy kwarki pokazane jako kółka połączone sprężynkami w kształt trójkąta. Dwa kółka pomarańczowe, opisane małą literą u stanowią podstawę trójkąta, a jedno, fioletowe, opisane literą małe d jest jego wierzchołkiem.

RLC4vaqMxEVbK

Rys. 3.b) Schemat struktury kwarkowej neutronu przedstawiony jako koło o rozświetlonych zielonych krawędziach, zawiera trzy kwarki pokazane w postaci kółek połączonych sprężynkami w kształt trójkąta. Dwa kółka fioletowe opisane małą literą d tworzą podstawę trójkąta, a jedno pomarańczowe, opisane małą literą u stanowi jego wierzchołek.

Cząstki materii są fermionamiFermionyfermionami, co znaczy że mają spinSpinspin połówkowy. Łączy się je w grupy, tak zwane rodziny (tabela 1). W każdej rodzinie znajdują się dwa kwarki i dwa leptony. Cząstki z pierwszej rodziny są najlżejsze i według obecnej wiedzy to właśnie z nich jest zbudowana stabilna materia. Natomiast wszystkie obiekty zbudowane z pozostałych cząstek są nietrwałe i ulegają rozpadowi. Prawdopodobnie powstały podczas Wielkiego Wybuchu, a fizycy wytwarzają je dziś w laboratoriach.

Tabela 1. Rodziny cząstek

Model Standardowy opisuje oddziaływania: elektromagnetyczne, słabe i silne oraz cząstki przenoszące oddziaływania. Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe zostały połączone w jedno oddziaływanie zwane elektrosłabym. Oddziaływanie między cząstkami materii polega na wymianie cząstki pośredniczącej, zwanej nośnikiem oddziaływania.

Wyróżniamy następujące nośniki oddziaływań:

• fotonFotonfoton – nośnik oddziaływań elektromagnetycznych,

• bozonyBozonybozony $W^{+}$, $W^{-}$, $Z^0$ – nośniki oddziaływań słabych,

• gluonyGluongluony – nośniki oddziaływań silnych.

Model standardowy zakłada też istnienie cząstki Higgsa, której istnienie potwierdzono w CERN w 2012 roku. Cząstka ta, zwana jest też boską cząstką, gdyż oddziałując z innymi cząstkami nadaje im masę.

Wszystkie nośniki oddziaływań i cząstka Higgsa należą do grupy bozonów, czyli mają spin całkowity.

FotonFotonFoton to cząstka elementarna, obojętna elektrycznie, o zerowej masie spoczynkowej, pośrednicząca tylko w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Foton porusza się z prędkością światła i zgodnie z mechaniką kwantową jest najmniejszą porcją energii. Energia fotonu zależy od częstotliwości fali: $E=h\nu$, gdzie $h$ – stała Plancka, $\nu$ – częstotliwość promieniowania. Oddziaływania elektromagnetyczne mają nieograniczony zasięg.

Oddziaływanie słabe, które jest odpowiedzialne za rozpady $\beta$ jąder atomowych, zachodzi za pośrednictwem cząstek zwanych bozonamiBozonybozonami $W^{+}$, $W^{-}$, $Z^0$ (indeks górny oznacza znak ładunku). Są to masywne cząstki o masie kilkadziesiąt razy większej od masy nukleonu. Zasięg oddziaływań słabych jest rzędu $10^{-18}m$.

Nazwa gluonGluongluon pochodzi od angielskiego słowa glue, co znaczy klej. Gluony „sklejają” kwarki w większe cząstki materialne, na przykład nukleony, oraz nukleony w jądro atomowe. Gluony nie mają masy, przedstawia się je w postaci sprężynek łączących kwarki (Rys. 4.).

Rol6jGoqdufF5

Rys. 4. Schemat struktury protonu zawierający kwarki i gluony, przedstawiony w postaci koła o czerwonych rozświetlonych krawędziach, zawiera trzy kwarki pokazane jako kółka połączone w kształt trójkąta gluonami w postaci sprężynek. Dwa kółka pomarańczowe, opisane małą literą u stanowią podstawę trójkąta, a jedno, fioletowe, opisane literą małe d jest jego wierzchołkiem.

Oddziaływania silne o zasięgu rzędu $10^{-15}m$ działają w obrębie jądra atomowego. Zachowują się inaczej niż oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne, których siła maleje ze wzrostem odległości między cząstkami. Siła oddziaływania między kwarkami rośnie wraz ze wzrostem odległości! Kwarki nie mogą się oderwać od siebie, są wraz z gluonami uwięzione wewnątrz cząstek materii.

Przykład.

Jednostką masy stosowaną w fizyce cząstek elementarnych jest MeVElektronowolt (eV)MeV/cIndeks górny 2². Mion ma masę $106MeV/c^2$. Oblicz jej wartość w kilogramach i porównaj ją z masą protonu. Przyjmij następujące wartości stałych fizycznych:

Prędkość światła w próżni $c=3\cdot 10{}^{8}m/s$

Ładunek elementarny $e=1,6\cdot 10^{-19}C$

Masa protonu $m_p=1,67\cdot 10^{-27}kg$

Korzystamy ze wzoru Einsteina: $E=m{c}^2$

Masa mionu:

Obliczamy stosunek masy protonu do masy mionu:

Masa protonu jest około 9 razy większa od masy mionu.

Słowniczek