Transcript for:
Gluony i ich znaczenie w fizyce cząstek

Od ponad pół wieku fizycy snują teorię o istnieniu tajemniczej cząstki gluobol, zwanej także gluonium, czyli cząstki składającej się wyłącznie z gluonów. W ciągu ostatnich dekad pojawiło się kilka kandydatek pasujących do wysnutych przez fizyków teorii. Chińscy naukowcy wykorzystujący BES-3, czyli Beijing Spectrometer 3, odkryli cząstkę X2370 pasującą do przewidywań teoretyków.

Jak dobrze wiemy, składamy się z atomów. Atomy natomiast zbudowane są z neutronów, protonów i elektronów, a idąc dalej, protony i neutrony składają się z kwarków. Dokładnie trzech kwarków, które razem są sklejone przez gluony poprzez oddziaływanie silne. Jak ludzkość doszła do takiego wniosku?

Otóż gdzieś w połowie ubiegłego stulecia fizycy zorientowali się, że cegiełki, z których zbudowane są jądra atomów, same też skrywają w sobie jakąś strukturę. Ostrzeliwując protony i neutrony znacznie mniejszymi od nich elektronami udało się im zidentyfikować trzy zagęszczenia, trzy mniejsze cząstki. Murray German z Caltechu nazwał te cząstki kwarkami.

Z czasem ustalono, że samych kwarków jest przynajmniej sześć rodzajów, z czego w jądrach atomów napotykamy tylko dwa najlżejsze z nich. Kwark górny o masie 2,3 megaelektronowolta i ładunku plus 2 trzecie oraz kwark dolny o masie 4,8 megaelektronowolta i ładunku minus 1 trzecia. Proton jest zbudowany z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, co po zsumowaniu daje nam ładunek plus 1. Natomiast neutron składa się z jednego kwarka górnego oraz dwóch dolnych, dając ładunek równy zero. Wspaniale. Wszystko się zgadza.

Poza samymi kwarkami, górnym i dolnym, wyróżnia się kwarki takie jak powabny, wysoki oraz dziwny i niski. Tajemnica struktury cegiełek jądra atomowego została rozwiązana Ale to, co znacznie dłużej zastanawiało naukowców, to dlaczego kwarki są ze sobą tak silnie związane. Bez względu na to, jakiej użyjemy siły, niechętnie chcą się od siebie odseparować. Nawet jeżeli użyjemy silnego akceleratora i uda nam się eksmitować kwark, to w jakiś sposób obok niego szybko powstanie nowy partner.

W skrócie oddziaływanie między kwarkami jest na tyle silne, że próba ich rozerwania ostatecznie zakończy się kreacją nowych cząstek. Ale spokojnie, to nie jest tak, że ten nowy towarzysz powstaje sobie magicznie z niczego. Po prostu dzieje się to podobnie jak w przypadku anihilacji materii z antymaterią.

Wtedy emitowana jest energia. I tak samo tutaj ta duża ilość energii może posłużyć do stworzenia materii. Czemu to oddziaływanie między kwarkami wydaje się takie dziwne? Bo w naturze, którą znamy na co dzień, zwykły przykład grawitacji i jabłka spadającego na Ziemię, czy elektromagnetyzmu i metalu przyciąganego przez magnez, Obie te siły słabną wraz ze zwiększeniem odległości między ciałami, a oddziaływanie spajające kwarki zachowuje się kompletnie inaczej. W tym przypadku, kiedy ciała są bardzo blisko siebie, to mają dużą swobodę, ale kiedy zaczniemy je oddalać od siebie, siła je spajająca gwałtownie wzrasta.

Podobnie jak w przypadku chociażby gumki recepturki, im bardziej ją naciągniemy, tym bardziej chce wrócić do swojego pierwotnego stanu, w którym pozostaje luźna i swobodna. Ta gumka, która spaja kwarki obecnie nazywana jest oddziaływaniem silnym, a jej metaforycznym ogniwem są gluony. Tym sposobem doszliśmy do zaawansowanej teorii współczesnej fizyki, jaką jest chromodynamika kwantowa, w skrócie QCD.

Według chromodynamiki kwantowej powinno być wiele sposobów na utworzenie stanu związanego kwarków, antykwarków i gluonów. Można utworzyć bariony z trzema kwarkami każdy lub antybariony z trzema antykwarkami. Mezony, kombinacja kwarku i antykwarku, tetrakwarki, czyli dwa kwarki i dwa antykwarki itd.

oraz stany składające się wyłącznie z gluonów, znane jako stany gluonowe. Co ciekawe, w opisie oddziaływania silnego pojawia się nowe pojęcie kolor. Nie ma on nic wspólnego z barwami, które widzimy, ale służy jako jedna z liczb kwantowych opisujących właściwości kwarków.

To coś na wzór tego, czym jest ładunek elektryczny dla elektromagnetyzmu. ale nieco bardziej skomplikowany. Dlaczego?

Bo ładunki elektryczne noszą tylko dwa znaki przeciwstawne, plus i minus. Natomiast kwarki dysponują trzema kolorami barwy podstawowej, czerwony, niebieski i zielony, oraz odpowiadającymi im antykolorami. Najważniejsze jest to, aby każdy kwark zawierał taką kombinację kolorów, aby ostatecznie proton czy neutron pozostał biały jako całość.

Rolą gluonów jest roznoszenie ładunku kolorowego. Każdy gluon niesie ze sobą dwa ładunki. Kolor?

i antykolor. Zatem ich praca wydaje się nieco trudniejsza. W ten sposób otrzymujemy gluony czerwono-antyniebieskie, zielono-antyczerwone, niebiesko-antyzielone i tak dalej. Kwarki nieustannie przerzucają się nimi średnio co 10 do minus 24 sekundy, zmieniając swój kolor.

Brzmi to bardzo abstrakcyjnie. Prawda? Najłatwiej będzie to wyjaśnić na podstawie przykładu.

Weźmy kwark czerwony i ustalmy, że zmienia on kolor na niebieski. Tej zmianie towarzyszy wyrzucenie gluonu czerwono-antyniebieskiego, który może trafić w sąsiedni kwark niebieski. Antyniebieski ładunek gluonu pochłania kolor niebieski z sąsiedniego kwarku, a kwark tym sposobem zyskuje kolor czerwony i emituje następny gluon. Zatem mamy cząstki składające się z kwarków, ale czy można stworzyć cząstkę wyłącznie z gluonów?

Fizycy już dawno zadawali sobie to pytanie, czy możliwe jest istnienie kul gluonowych. W XXI wieku, kiedy moc obliczeniowa superkomputerów stała się wystarczająca, zastosowano nową technikę obliczeń o wysokiej wydajności. Technikę kratowej chromodynamiki kwantowej, wymagającej do swojego działania superkomputerów, która jest w stanie odpowiedzieć na to pytanie. Teoretycznie technika przewiduje istnienie stanu gluBall i powinna ona być pseudoskalarem o całkowitym spinie zero, bez ładunku elektrycznego, oraz z masą spoczynkową pomiędzy 2,3 a 2,6 giga elektronowolta przez c kwadrat. Obecnie fizycy zidentyfikowali dwie cząstki jako kandydatki na Gloobol.

Pierwsza z nich została odkryta w 2015 roku. Profesor fizyki Anton Rebnan i jego doktorant Friedrich Branner z Uniwersytetu w Wiedniu wysnuli teorię, że silny rezonans rozpadu jądrowego może być poszukiwaną kulą gluonową. Mimo, że profil cząstki odpowiadał przewidywaniom QCD, To jest ona nadal pod znakiem zapytania, ponieważ grono sceptyków twierdzi, że uchwycony sygnał pochodził z rozpadu egzotycznego związku kwarków i antykwarków. Mimo upływu lat wciąż nie wiemy, czy owa cząstka faktycznie była kulą gluonową.

Druga kandydatka to cząstka zidentyfikowana z pomocą eksperymentu BES-3. Została oznakowana jako X2370. BES-3, czyli zderzacz elektronowo-pozytronowy, znajduje się w Pekinie i został zbudowany do badania cząstki zwanej Charmonium. Cząstka ta należy do rodziny bardzo ulotnych mezonów, posiadających w swojej strukturze kwark oraz antykwark powabny.

Nazwano ją czarmonią ze względu na kwark powabny i zaczerpnięto z angielskiego słowa charm, charming, czyli powabny. Cząstka ta ginie średnio co 10 do minus 21 sekundy, wyrzucając z siebie najróżniejsze konfiguracje fotonów i interesujących nas gluonów. W ten sposób otrzymujemy idealne środowisko do polowania na kule gluonowe. Przez ostatnich 16 lat ta pekińska placówka zgromadziła zbiór danych o ilości 10 miliardów rozpadów. Ta liczba jest kluczowa ze względu na konkretny kanał rozpadu.

Za każdym razem, kiedy powstaje cząstka Czarmonium, istnieje około 26% szans, że rozpadnie się na foton, a ten dalej na cząstki zawierające kwarki albo pary lepton-antylepton, około 64% szans na to, że rozpadnie się na trzy gluony oraz 9% szans, że rozpadnie się na foton i dwa gluony. Dzięki badaniom przeprowadzonym w zderzaczu BES-3 naukowcy ustalili kilka faktów o nowo odkrytej cząstce przemawiających jako solidny dowód na jej istnienie. Chociażby takich jak przykładowo jej dokładna masa wynosząca 2,395 GigaEV przez C kwadrat z niepewnością eksperymentalną równą 11,000 GigaEV przez C kwadrat.

Co jest w tym wszystkim najbardziej niesamowite to fakt, że zmierzona masa jest spektakularnie wręcz zgodna. z przewidywaniami kratowej chromodynamiki kwantowej z 2019 roku, które to wynosiły, uwaga, 2395 tysięcznych giga elektronowolta przez c kwadrat z niepewnością równą 14 tysięcznych giga elektronowolta przez c kwadrat. Zdumiewające. Cząstka X2370 naprawdę istnieje, a jej właściwości są mierzone o wiele dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej.

Najnowsze badanie jest pierwszym, w którym zmierzono liczby kwantowej jej spinu i parzystości. Chociaż to wszystko jest zgodne z przewidywaniami, nadal należy zachować ostrożność. Po pierwsze, chociażby dlatego, że odkryto mezony X, które są jedynie rezonansami obejmującymi kombinacje kwarków i antykwarków, a nie są kulami gluonowymi.

Po drugie, tempo produkcji X2370 jest trochę zbyt szybkie, aby było zgodne z interpretacją kuli gluonowej. Pomimo, że ta interpretacja jest nadal weryfikowalna. A co najważniejsze, ujemna parzystość zmierzona dla X2370... Jest zgodna z tym, że jest ona pseudoskalarem, a nie skalarem. Nadal trzeba włożyć w ten projekt o wiele więcej pracy, aby dokładnie określić pełną naturę cząstki.

Mimo wszelkich wątpliwości jest to zdecydowanie najsilniejszy dowód na istnienie Gloobol, jaki kiedykolwiek przedstawiono światu. Wiecie, z cząstkami jest jak z klockami Lego. Mając do dyspozycji odpowiednio duże energie, możemy kombinować z nich różne twory i tworzyć nowe, egzotyczne cząstki.

I zaglądać coraz bardziej pod podszewkę. otaczającej nas rzeczywistości. To wszystko w dzisiejszym odcinku. Ja serdecznie zapraszam Was na naszą stronę internetową astrofaza.pl. Dziękuję również wszystkim patronom i wspierającym.

Dzięki Wam jesteśmy w stanie produkować tego typu treści. Zapraszam na kolejne odcinki. Do zobaczenia.

Trzymajcie się i cześć.