Rozbiegane wilczki
Profesor Frank Wilczek, urodził się w Nowym Jorku w 1951 roku. Jak sam mówi, dziadkowie byli emigrantami z Europy, babcia pochodziła z okolic Krakowa. Studiował w Chicago i Princeton, pracował na uniwersytecie w Kalifornii, Harwardzie a ostatnio w Instytucie Technologii w Massachusetts. W tych dniach odbiera nagrodę Nobla za prace nad elementarnymi cząstkami mikroświata, zwanymi kwarkami. Co to za “skwarki” , jeśli moi studenci jako składniki atomu wymieniają tylko elektrony (te, które rysują obraz na ekranie telewizora, rozgrzewają żarówkę i poruszają głośnikiem telefonu komórkowego), protony i neutrony? Protony i neutrony składają się na jądro, a elektrony obiegają jądro, jak Ziemia Słońce.
Protony są sporo cięższe niż elektrony (1836 razy) ale mają taki sam ładunek elektryczny tyle że dodatni. Neutrony, jak sama nazwa wskazuje, są elektrycznie obojętne. Kiedyś wierzono, że składają się z elektronu i protonu. Tym bardziej, że od czasu do czasu neutron się rozpada na proton i elektron (i jeszcze małe, prawie niezauważalne co-nie-co, zwane neutrinem). Wiemy dość dokładnie, że neutron jest niewiele cięższy niż proton i że żyje (w stanie "wolnym") średnio 888 sekund, czyli dokładnie kwadrans akademicki (kiedy studenci idą do domu, zapewne im się neutrony w organizmie porozpadały w oczekiwaniu na spóźnionego profesora).
Badania nad rozpadającymi się neutronami, w jądrach atomów uranu i pokrewnych pierwiastków zostały zapoczątkowane ponad 100 lat temu przez Marię, wówczas jeszcze Skłodowską, w laboratorium w Paryżu. Wkrótce okazało się (uczestniczyła w tych badaniach córka Marii, Irene), że czasem neutron rozpada się na proton, a czasem proton rozpada się na neutron (i dodatni elektron). Jakby raz z dużej matrioszki wyjąć małą a raz z małej - dużą. Problem dość niepokojący. Dopiero w latach 60-tych niejaki Gell-Mann (laureat nagrody Nobla z 1969 roku, dziś mieszka w Santa Fe, gdzie założył prywatny instytut zajmujący się zastosowaniami fizyki w ekonomii) wpadł na pomysł, że wbrew przekonaniom moich studentów (a i zawodowych fizyków przez całe dziesięciolecia) protony i neutrony mogą się składać z czegoś mniejszego.
Pomysł był dość absurdalny, jako że te hipotetyczne składniki musiałyby mieć ułamkowy ładunek elektryczny (uważano, że najmniejszą jednostką ładunku elektrycznego jest ładunek elektronu, tak jak kiedyś “pół litra” można było kupić tylko jako pół litra, ale dziś jest i małe i duże pół litra i butelki litrowe i inne). Gell-Mann nazwał te cząstki kwarkami, pożyczając nazwę z pół-absurdalnej strofy irlandzkiego pisarza Jamesa Joyce’a “trzy kwarki dla króla Marka”. Niemcom bardzo się ten termin nie podoba, bo kwark dla nich to twarożek. Podobno sam Joyce usłyszał to słowo, pochodzenia słowiańskiego (?) od handlarek serków na jarmarku w Dreznie.
Jak się zwał, tak się zwał, ważne by się jakoś miał. Wkrótce po pomyśle Gell-Manna bombardując protony innymi cząstkami wykryto w nich obecność trzech małych obiektów, jakby ziarenek grochu w puchowej pierzynie księżniczki. Kolejne lata spędzono starając się wyłuskać te ziarenka z protonowej poduszki. Nadaremnie! Kwarki wydawały się jakby uwięzione . I tu pomysł doktora Wilczka – one rzeczywiście mogą być uwięzione, połączone tajemnymi, kolorowymi sprężynami
: możemy
te sprężyny wyciągać do woli, tylko się coraz bardziej zmęczymy a kwarki
i tak się będą trzymały razem . Jakby spojone klejem (innymi cząstkami, nazwane
natychmiast “klejowcami”, czyli gluonami).Pomysł z kwarkami był dobry: nie dość że wyjaśniał strukturę protonu
i
neutronu 
, to jeszcze przewidywał inne, egzotyczne
cząstki, podobne do protonu tylko że cięższe (w odkryciu których
w latach 50-tych też uczestniczyli Polacy, M. Danysz i J. Pniewski).
W fizyce jednak jak w życiu: jak się już kupiło Fiata 126p to się okazuje,
że są i większe auta. Większe aparatury, zwane akceleratorami
(i zużywające tyle prądu co cały Koszalin w zimie) pozwoliły odkryć oprócz
dwóch “zwykłych” kwarków, tych z protonu i neutronu jeszcze
4 inne, cięższe i egzotyczne. Co więcej każdy
z kwarków może występować w 3 kolorach
i jeszcze mieć brata, anty-bliźniaka. Oj, jest
ich sporo!Czy wiemy już wszystko o kwarkach? I wszystko i nic. Nie potrafimy nawet powiedzieć ile tak naprawdę ważą. Przypuszcza się, że są całkiem lekkie – nie 600 razy cięższe od elektronu jakby można wnioskować z masy protonu, ale zaledwie 6 do 12 razy cięższe. Skąd się bierze więc masa protonu? Tak dokładnie to nie wiemy - na odkrywcę czeka kolejna nagroda Nobla. Najlepszy pomysł na dziś, to że kwarki “rosną” w masę, wskutek ich szybkiego ruchu. Przypominają więc nie ziarenka grochu w poduszce a rozpędzone pestki w wirówce do soków.
GK
P.S. Ponad rok temu, przy okazji wystawy fizycznej na XXXVIII Zjezdzie Fizyków w Gdańsku poprosiłem dr Tomasza Wróblewskiego o narysowanie “kwarków”: tak powstało 6 typów wilczków, z których dwa, górski
(top po angielsku) i dziwny 
(strange) Państwu przedstawiamy. Pamiętajmy, że w protonie kwarki
są w ruchu: jednym słowem, rozbiegane wilczki!