Fizyka dla każdego

Kuba,

co prawda szkolny, ale w towarzystwie innych krasnoludków, pyta,

- Jaka jest najmniejsza cząstka elementarna?

 

Drogi Kubo, jest to bardzo trudne pytanie.

Cząstką elementarną jest na przykład elektron, to jest taka cząstka, która przepływając przez drut w żarówce powoduje jej świecenie. Elektrony kreślą tez obraz na ekranie telewizora.

 

Elektrony są naprawdę małe. Każdy z nas składa się z ogromnej ilości elektronów i jeszcze dwóch innych cząstek – protonów i neutronów. Te trzy cząstki tworzą tak zwane atomy. Protony i neutrony siedzą w środku atomów, a elektrony biegają dookoła, jak kamień na sznurku.

 

 

Atomy są bardzo małe – potrzeba milion atomów jeden obok drugiego albo i wiecej, aby złożyć się na jeden milimetr długości.

 

Ale elektrony są jeszcze mniejsze! Potrzeba ich milion milionów (czyli biliard) na jeden milimetr długości. Czy to są najmniejsze cząstki elementarne?

 

Trudno powiedzieć, co znaczy „najmniejszy”. Kropelki światła są jeszcze mniejsze, albo właściwie lżejsze. One tak naprawdę nic nie ważą. A dokładniej, nic nie ważą, kiedy stoją, a kiedy biegną, to co nieco ważą. Ale właściwie, jak stoją to ich nie ma! Jak widzisz, jest to trudne.

 

Wróćmy więc lepiej do elektronów i protonów. Te ostatnie składają się z czegoś. Siedzą w takim protonie, jak ziarenka grochu w pierzynie, trzy maleńkie kwarki. Z Panem Tomaszem ze Słupska  wyobrażamy je sobie jak trzy pieski: jak mają ogonek do góry, to nazywamy je up, jak ogonek na dół – down. Te z ogonkiem na dół są nieco cięższe. Ale i tak nie dość ciężkie, aby poskładać się na masę protonu.

 

Zobacz jak sie nazywają

 

 

Kwarki up ważą tak mniej więcej 3 a kwarki down, mniej więcej 6. W protonie są dwa kwarki up i jeden down. 3+3+6 powinno dać 12, ale masa protonu wynosi aż 911.  Kwarki w protonie siedzą raczej nie jak ziarenka grochu w poduszce ale jak urwane guziki w wirującej pralce. I wirują tak szybko, że przez to ważą dużo, dużo więcej.

 

 

Jak widzisz, pojęcie ile co waży też nie jest takie jasne w świecie cząstek elementarnych. Jak się coś szybko porusza, to waży więcej. I o dziwo, żyje dłużej niż kolega śpioch.

 

Całym zmartwieniem z cząstkami elementarnymi są nie te, które są małe (i żyją wiecznie jak elektron i proton) ale te które są duże i żyją bardzo krótko, milionową część sekundy albo i krócej. Są tacy dwaj kuzyni elektronu, kuzyn mu i kuzyn tao. Jeden waży 208 (a elektron tylko połówkę [MeV/c²]) a drugi 1800. Ale im cięższy, tym krócej żyje. Kuzyn tau żyje tak krótko, że nawet go nie widzimy. Widzimy tylko ślad, że był, ale się rozpadł na kawałki.

 

 

Jak się tworzy takie leptony tau? To też niezwykle ciekawe! Większa cząstka powstaje z mniejszej, jeżeli te mniejszą rozpędzimy. Jak się zderzą dwa elektrony, a w zasadzie elektron z anty-bratem, anty-elektronem, to nie dość że się nie rozpadają na mniejsze kawałki, ale robią się z nich większe kawałki – leptony tau.

 

W mikroświecie nie możemy stosować pojęcia, że się coś z czegoś składa. Dwa mniejsze elektrony, odpowiednio rozpędzone, rozpadają się na dwa większe leptony tau. Takie zamieszanie panuje od czasu, kiedy sto lat temu niejaki Albert Einstein odkrył, że masa cząstki zależy od jej energii. Małe elektrony rozpędzane rosną w masę, a później, w zderzeniu, rozpadają się na większe kawałki. To naprawdę jest skomplikowane.

Cały masz świat jest bardzo skomplikowany i trzeba mieć wiele fantazji, aby go sobie wyobrazić. A może kwarki nie wyglądają jak pieski a zupełnie inaczej?

 

Narysuj kwarka, a najciekawsze rysunki nagrodzimy.

 

Reasumując, wyliczony promień elektronu (tzw. "klasyczny") to 2,8x10^-15m, promień protonu  (niedawno zmierzony) to 0,84x10^-15m. Promienie kwarków, składników protonu, możemy tylko zgadywać.

 

(C) Odpowiadał GK, kwarki rysował TW