W par. 3.6 o rozpadach promieniotwórczych omówiliśmy najpierw rozpad beta minus (tzn. z emisją elektronu) a później rozpad alfa. Okazało się jednak, że rozpad alfa jest stosunkowo prosty do wyjaśnienia: „skotłowane” w jądrze protony i neutrony mają sporą szanse na utworzenie dość stabilnej struktury w postaci cząstki alfa ₂⁴He a ta, poprzez efekt tunelowy, może z jądra uciec. Rozpad beta, czyli przeistoczenie się neutronu w proton wydawało się reakcją prostą, a w rzeczywistości wymaga istnienia „egzotycznej” cząstki – neutrina, praktycznie nieoddziałującego z materią.

Dodatkowo, stwierdzono, że w niektóre jądra (jak ²²Na, ¹⁹F) rozpadają się w tzw. procesach „beta plus”, czyli z emisją dodatniego elektronu, czyli pozytonu (anty-elektronu).  Zachodziłaby więc reakcja rozpadu protonu na neutron, pozyton i neutrino. Z kolei masa protonu jest mniejsza niż masa neutronu. Trudności w zrozumieniu rozpadów beta jest wiele. Widocznie i proton i neutron nie są wcale cząstkami elementarnymi, ale się jeszcze z czegoś składają.

Kolejnym argumentem za złożoną strukturą protonu i neutronu były odkrycia innych „cząstek elementarnych”, począwszy od lat 40-tych ubiegłego wieku, zob. par. 3.10. Jeżeli proton i neutron są w jadrze związane silnymi a krótkozasięgowymi oddziaływaniami, to musi istnieć cząstka je wiążąca. Postępy w badaniu promieniowania kosmicznego  oraz budowa przyspieszaczy cząstek, czyli akceleratorów otworzyły prawdziwy „róg obfitości” dla badaczy cząstek elementarnych.

Wszystkie te badania doprowadziły do wniosku, że proton i neutron muszą składać się z mniejszych cząstek, nazwanych (1) przez M. Gell-Manna „kwarkami”. Dane doświadczalne wskazywały, że są dwa rodzaje kwarków – nazwano je up i down (górny i dolny). Kwarki w protonie i neutronie są trzy, więc mają ułamkowe ładunki elektryczne: kwark up ma ładunek +2/3e a kwark down –1/3e, gdzie e jest, jak zwykle, ładunkiem elektronu (2).

Na ryc. 1.10b przedstawiliśmy trzy kwarki w protonie i anty-protonie za włoskim rysownikiem, który wyobraża je sobie jako kolorowe kuleczki. Ziemia z dalekiego kosmosu też wygląda jak mała kuleczka, a ma swoich mieszkańców i ich miasta. Może więc i kwarki maja jakąś postać? Na ryc. 3.12 przedstawiamy kwarkowe „zoo”, tak jak je sobie wyobraża dr. T. Wróblewski z Akademii Pedagogicznej w Słupsku.

Ryc. 3.12. Kwarkowe „zoo”, według dr T. Wróblewskiego; rozmiary kwarków są tak dobrane, że czwarta potęga ich rozmiarów liniowych jest proporcjonalne do ich masy; „morda” kwarka – prawo, lewo wskazuje na znak ładunku, kwarki występują w trzech kolorach. © TW i GK

Kwarków jest sześć, pogrupowanych w trzy rodziny. Tylko dwa najlżejsze z nich, kwark up i down wchodzą w skład „zwykłej” materii. Proton składa się z dwóch kwarków up i jednego cięższego, down. Neutron składa się z dwóch kwarków down i jednego up. Rozpad β^-  (beta minus) polega na przemianie jednego kwarka down w neutronie w kwark up, rozpad β⁺ na przemianie jednego kwarka up w protonie na kwark down. Reakcję rozpadu β^- (3.10) możemy więc zapisać jeszcze raz, tym razem jako rozpad kwarku down.

                3.16

Łatwo zauważyć, że ładunek sumaryczny jest zachowany. Kwarki są fermionami, mają spin połówkowy, więc i sumaryczny spin w równaniu (3.16) jest zachowany. Jak się sumują spiny kwarków wewnątrz protonu i „cięższego protonu”, tzn. hiperonu delta Δ⁺, przedstawia rys. 3.13.

Ryc. 3.13. Proton (a) i cząstka Δ+ są zbudowane tak samo – z dwóch kwarków up i jednego kwarku down;  różnią się jedynie spinem, co powoduje, że cząstka  Δ+ jest aż o 30% cięższa niż proton (rys. dr T. Wróblewski © TW i GK)

Pozostaje jeszcze kwestia masy kwarków – i to jest problem „delikatny”. Mimo, że w każdym z nas są miliardy miliardów miliardów (>10²⁷) kwarków, ich masy znamy z bardzo kiepską dokładnością. Według najlepszych oczarowań, tak doświadczalnych jak teoretycznych, masa kwarku up zawiera się między 1,5<m_up<5  a masa kwarku down między 5<m_down<9, gdzie użytą jednostką jest stosowany już przez nas MeV/c².

Zadziwiające jest, że tak lekkie (trzy) kwarki, nieco cięższe jedynie od elektronu m_e=0,511 MeV/c², składają się na tak ciężkie nukleony (przypominamy, o masach około 938 MeV/c²). Jest to oczywiście, efekt relatywistyczny – kwarki w nukleonach są tak „rozpędzone”, że ich gigantyczną energię kinetyczną obserwujemy jako wzrost masy. Kto to wyjaśni dokładniej, uzyska bez wątpienia Nagrodę Nobla!   

Zobacz więcej