<<Glavna stranica

< Prethodna lekcija
Sljedeća lekcija >



KVARKOVI

Otkako ga je svijet koji ga okružuje počeo zanimati na višem nivou od onoga "što je danas za ručak?", jedno od ključnih pitanja koje si je čovjek postavljao bilo je: od čega se sastoji materija.

U nekoliko tisuća godina ljudske povijesti način traženja odgovora je uznapredovao od razbijanja kamenja do razbijanja atoma, ali, u osnovi, postupak je bio isti: da bismo vidjeli od čega se nešto sastoji, moramo to najprije razbiti.

Prvi znanstveni načini razbijanja započeli su u XIX. stoljeću kad su "razbijanjem" kemijskih spojeva otkriveni svi kemijski elementi koji danas čine periodni sustav. Pritom je definirana najsitnija čestica koja "zadržava svojstvo tvari" - atom - i taj je odgovor zadovoljio kemičare koji su se tada okrenuli proučavanju kako se atomi međusobno vežu i što se iz svega toga može korisno izvući. Međutim, fizičare je zanimalo što ima dalje i na prijelazu iz XIX. u XX. stoljeće proveden je niz eksperimenata u kojima se otkrilo da ni atomi nisu baš tako nedjeljive čestice kako se smatralo: pokazalo se da se sastoje od sitne i masivne jezgre i velikog elektronskog omotača koji je odgovoran za kemijska svojstva elemenata. U nastupajućim desetljećima napravljen je još jedan korak i otkriveno je da se i sama jezgra sastoji od nekih čestica koje su tada nazvane protoni i neutroni.

I svijet je odjednom postao jednostavan: cjelokupna materija koja nas okružuje, svih stotinjak kemijskih elemenata i sva međudjelovanja u prirodi, mogli su se objasniti sa samo nekoliko čestica: protoni i neutroni koji čine jezgre, elektroni u omotačima, fotoni koji prenose svjetlost i ostalo zračenje, i još su se tu pojavili neki neutrini koji su bili potrebni da se zaključi energetski račun pri pretvaranju neutrona u proton, ali pošto ionako gotovo da nisu reagirali s materijom, nisu bili naročito bitni, i to je bilo to. Svijet je bio jednostavan.

Sve do sredine XX. stoljeća kad su se, u želji da se što bolje prouče postojeće čestice i načini njihovog međudjelovanja, počeli graditi sve veći i veći akceleratori pomoću kojih se moglo ulagati sve veće i veće energije kako bi se razbili i protoni i neutroni. Međutim, umjesto da se provjere do tada utvrđene zakonitosti ili da se detektiraju "krhotine" razbijenih protona i neutrona, otkriveni su deseci potpuno novih i nepoznatih čestica. I svemir je opet prestao biti jednostavan.

Bitan korak u ponovnom pojednostavljenju napravljen je postavljanjem teorije da se protoni i neutroni sastoje od još sitnijih čestica - kvarkova - koje se slažu u skupine po tri. Dakle, tri kvarka čine proton, neka druga tri kvarka čine neutron i tako dalje.

Teorija je predviđala postojanje dvije vrste čestica koje se sastoje od kvarkova. Prvi su barioni - teže čestice koje čine po tri kvarka, u koje spadaju i proton i neutron, a drugi su mezoni - lakši sustavi koji se sastoje od jednog kvarka i jednog antikvarka.

(Antikvark spada u ono što zovemo antimaterijom. Česticama antimaterije su neka svojstva - masa, energija - identična česticama materije, a neka druga - naboj, spin, neki kvantni brojevi - suprotna. Svaka vrsta čestice koja postoji ima svoju antičesticu: proton ima antiproton i njegov naboj je negativan, elektron ima antielektron ili pozitron i njegov naboj je pozitivan. I neutron ima svoju antičesticu koja se, logično, zove antineutron, a njegov naboj pogodite sami. Najpoznatije - i preko svake mjere i dobrog ukusa iskorišteno u znanstvenoj fantastici - svojstvo antimaterije je da se u kontaktu s materijom i jedna i druga potpuno ponište - anihiliraju - pri čemu se njihove cjelokupne mase pretvaraju u energiju koja je, slijedom fizikalnih zakona, ogromna.)

Na slici su prikazani zamišljeni modeli bariona (u ovom slučaju protona) i mezona (u ovom slučaju π-mezona) i njihov kvarkovski sastav. Boje i ostale oznake nisu slučajne i o njima će još biti govora.



Naravno, pošto je za svaku teoriju u fizici potrebna i eksperimentalna potvrda, trebalo je samo nekoliko godina da se u akceleratorima i dokaže postojanje kvarkova. Od kraja '60-ih godina XX. stoljeća do danas potvrđeno je postojanje - a toliko ih predviđa i teorija, dakle pronađeni su svi - šest kvarkova. U skladu s neortodoksnim stanjima svijesti koja su bila popularna u vrijeme nastanka teorije kvarkova, ovim česticama dana su nešto drugačija imena od onih na koja smo navikli, pa je tako šest kvarkova nazvano: "gore" (engleski "up" ili, kako se danas skraćeno naziva u), "dolje" ("down" ili d), "čudan" ("strange" ili s), "začaran" ("charming" ili c), "vrh" ("top" ili t) i "dno" ("bottom" ili b).

U teoriji je predviđeno, a eksperimentom potvrđeno da kvarkovi u, s i t imaju naboj od +2/3 elementarnog naboja, dok kvarkovi d, c i b imaju naboj od -1/3 elementarnog naboja. S obzirom da je utvrđeno da se i proton i neutron sastoje isključivo od kvarkova u i d, uz pomoć elementarne matematike lako je pokazati da se proton (naboj: +1) sastoji od dva u kvarka i jednog d kvarka (2/3 + 2/3 - 1/3 = 1), dok se neutron (naboj: 0) sastoji od jednog u i dva d kvarka (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0), što je i prikazano na gornjoj slici.

Međutim, ono što se u prvi mah pokazalo, a što je trebalo objasniti, bila je činjenica da se još niti u jednom eksperimentu, ma koliko velika energija se koristila kako bi se razbili proton ili neutron, nije dogodilo da je primijećen izolirani kvark, dakle kvark koji bi samostalno letio prostorom. Sve što je uočeno su interakcije na temelju kojih su logičkim postupkom izvedeni dokazi da kvarkovi moraju postojati, jer inače ništa drugo nema smisla. Dakle, što je to sprečavalo kvarkove da izađu iz bariona?

Odgovor je pronađen u teoriji "boja". Naime, više od stotinu godina ranije, kad su otkrivene dvije vrste električnog naboja, fizičari su dobili lak zadatak: novootkriveno svojstvo materije izraziti uz pomoć matematike koju su poznavali. Savršeno rješenje je pronađeno u pozitivnim i negativnim brojevima: jednoj vrsti naboja dodijeljen je pozitivan predznak, drugoj vrsti negativan; kad se iste količine pozitivnog i negativnog naboja spoje, oni se ponište (fizika) odnosno zbroje/oduzmu (matematika) i konačni rezultat je neutralno nabijena materija (fizika) odnosno nula (matematika). Pozitivni i negativni naboji se privlače i potrebno je uložiti energiju kako bi ih se razdvojilo. Na sličan način se pokušalo objasniti i međusobno privlačenje kvarkova. Međutim, prva prepreka na koju su znanstvenici naišli bila je činjenica da se u barionima ne nalaze dva kvarka (kojima bi bilo lako dodijeliti "plus" i "minus"), nego tri i da se sva tri drže zajedno.

I tako je uveden model "boja". Poznato je da ljudsko oko razaznaje tri osnovne boje - crvenu, plavu i zelenu (neka vas ne zbuni to što se ponegdje za osnovnu boju smatra žuta umjesto zelene; riječ je o bojama na podlozi koje imaju drugačiju mehaniku miješanja od svjetlosti. Ljudsko oko ima tri vrste osjetilnih stanica - po jednu za plavu, crvenu i zelenu, a to možete provjeriti tako da malo eksperimentirate s lampama preko koji ćete staviti obojane filtere i onda im ukrštate snopove - žutu ćete dobiti tako da ukrstite crvenu i zelenu). To je iskorišteno za uvođenje ovog modela: svakom kvarku je dodijeljen jedan "naboj boje" i utvrđeno je da se različite boje "drže zajedno"; dok je za električne naboje uvedeno pravilo da se "istovrsni naboji odbijaju, a suprotni privlače", za kvarkovske "naboje boje" utvrđeno je pravilo da "u prirodi ne može postojati 'obojena' kombinacija kvarkova". Dakle, nemoguće je izvući jedan kvark iz protona jer jedan kvark ima "boju". On može postojati samo združen u česticu u kojoj se nalazi još kvarkova koji tu njezinu boju poništavaju - tri kvarka u protonu imat će "plavu", "crvenu" i "zelenu" "boju", a njihova kombinacija bit će - "bijelo". Na slici su prikazane tri osnovne boje i tri boje koje se dobivaju njihovim miješanjem.



(Naravno, u svakom trenutku treba imati na umu da ovo nisu stvarne boje. Jednostavno, kao što na proton ponekad stavimo oznaku "+" kako bismo naznačili da je riječ o pozitivno nabijenoj čestici - iako znamo da na pravom protonu nema nikakvih plusića niti na elektronima nikakvih minusića - tako kvarkovi u prirodi nemaju pravu boju. Oni zapravo imaju neka svoja apstraktna svojstva koja smo, kako bismo se lakše snašli i kako bismo ih si lakše predočili, nazvali onime što vidimo i razumijemo u okolnom svijetu - "bojama".)

No, što je s mezonima? Oni se sastoje od dva kvarka, kako se tu boje mogu poništavati? Jednostavno, već smo rekli da se mezoni sastoje ne od dva kvarka, nego od jednog kvarka i jednog antikvarka (antičestice se označavaju s crtom iznad slova, kao na prvoj slici). Ako kvark ima "zelenu boju", antikvark mora biti "antizelen", dakle mora imati sve "boje" osim "zelene", a to su, u ovom slučaju, "plava" i "crvena", odnosno - "ljubičasta". Svaki kvark će imati jednu od tri boje, dok će svaki antikvark imati jednu od tri "antiboje". Za razliku od električnih naboja gdje znamo da je proton uvijek pozitivan, a proton uvijek negativan, bilo koja pojedina vrsta kvarka - u, d, t ili neki drugi - može imati bilo koju boju. Tako može postojati plavi, crveni ili zeleni u-kvark. Štoviše, u svakoj čestici koju čine kvarkovi njihove boje se neprestano izmjenjuju; tako će jedan kvark u jednom trenutku biti "plav", u drugom "zelen", u trećem opet "plav", u četvrtom "crven" i tako dalje. Jedino ograničenje u ovome je da u svakom trenutku cjelokupna čestica mora biti "bijela" - ako je jedan kvark u protonu "crven", druga dva moraju biti "zeleni" i "plavi". Ako "crveni" promijeni boju u "zeleno", kvark koji je dotad bio "zelen" mora promijeniti boju u "crveno".

Međutim, sve ovo ne objašnjava kako to točno priroda sprečava da se kvark otkine iz protona. Jer, ma kolika bila sila među njima, uvijek bi trebala postojati neka količina energije koju se može dovesti kako bi se razbilo proton. Željezo je čvrsto, ali ga se može rastrgati. Čelik je još čvršći, ali nije neuništiv. Čak i dijamant, najtvrđi poznati materijal na svijetu, ima svoju granicu pucanja. Pa što se onda događa kad se ta granica dostigne?

Dio odgovora nalazi se u primjeru iz prethodnog poglavlja - onom o relativističkoj kinetičkoj energiji. Naime, ako se protonu dovede neka velika energija kako bi ga se razbilo, kvarkovi će se zaista početi razdvajati, ali u trenutku "pucanja" protona, ta će se energija iskoristiti za stvaranje još kvarkova po formuli E=mc2. U najjednostavnijem slučaju, ako iz protona zbog udarca izleti, recimo, "crveni" kvark, iz energije koja je iskorištena za razbijanje nastat će novi crveni kvark koji će protonu nadomjestiti onoga kojeg je upravo izgubio, dok će se uz taj crveni kvark materijalizirati još jedan - "anticrveni" - i s njim stvoriti mezon.

Dakle, zatvoren je začarani krug koji nam onemogućuje da pod normalnim okolnostima izvučemo kvark iz protona - da bi se proton razbio, potrebna je energija, a kad uložimo energiju, ona će se iskoristiti da se "iz ničega" stvori još kvarkova koji će se priljepiti na one koji su izbačeni iz protona, i opet ćemo, umjesto slobodnih kvarkova, imati nakupine od dva ili tri kvarka.

Vrijedi napomenuti da se u određenim okolnostima - ogromne i za sada nedostignute temperature, kratki vremenski periodi ili mali prostorni razmaci - može dogoditi da kvark bude slobodan, ali riječ je o zaista posebnim slučajevima i diskusija o tome nadilazi potrebe ovog poglavlja.

Također treba reći da je u posljednjih pola stoljeća pronađeno na stotine čestica koje se sastoje od dva ili tri kvarka. međutim, sve su vrlo nestabilne i raspadaju se vrlo brzo nakon nastanka u akceleratorima. To je ujedno i razlog zašto je gotovo cjelokupna poznata materija u svemiru sastavljena od protona i neutrona koji su puno stabilniji.

< Prethodna lekcija
Sljedeća lekcija >