Ile wynoszą masy kwarków?

Panie Profesorze!

W ostatnim numerze „Świata nauki” pojawia się pojęcie „przerwy masowej kwarków” w kontekście przerwy energetycznej pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym atomu. Czy mógłby Pan to pojęcie przybliżyć wyjaśnić?

Z wyrazami szacunku

Janusz                                                  

Szanowny Panie,
mam bardzo gorący okres wyjazdów z referatami (i rękopisów do złożenia) stąd opóźnienie.

Nie mam tego numeru "Świata nauki", ale mniej więcej wyobrażam sobie, o co chodzi.

1. Masy kwarków są dla nas sporym zaskoczeniem. (I do niedawna masy najlżejszych kwarków, tych z których jesteśmy zbudowani, i większa część reszty wszechświata też, były znane z dokładnością +- 50%.)
Masa protonu to, w jednostkach MeV/c^2, ok. 911 MeV a masy kwarków do około 3 (kwark up) i około 6 (kwark down). Nie wiemy, skąd reszta masy protonu (to znaczy wiemy, z ich ruchu i E=mc2, ale nie potrafimy wyliczyć, tzn. przewidzieć masy protonu i neutronu).

Masy kwarków up i down sa więc bliższe masie elektronu (0,511 MeV) niż masie protonu. To dziwne, bo elektron zaliczamy do zupełnie innej rodziny cząstek (tzw. lekkuchów, czyli leptonów) a proton do ciężkuchów, czyli hadronów. Zamiany kwarków, np down na up są możliwe, ale mało prawdopodobne. Jądro potasu 40, w którym taka zamiana zachodzi żyje średnio 1,3 mld lat.

2. Masy kwarków drugie i trzeciej generacji są znacznie wyższe. Stąd zapewne to sformułowanie o "przerwie energetycznej". Sformułowanie obrazowe, ale niewiele wyjaśnia. Masa kwarku strange (dziwnego), który mam ładunek ujemny (jak down), jest mniejsza od kwarku charm (czarującego), który ma ładunek dodatni.

Masa kwarku top, to wręcz masa niewielkiego atomu (nie pamiętam obliczeń, tak od ręki - prześlę porównania w oddzielnym materiale)

3. Wygląda na to, że masy kwarków są zupełnie przypadkowe. Zadałem to pytanie jednemu z najwybitniejszych żyjących teoretyków (w rozmowie prywatnej).
Odpowiedział, precyzyjnie: "Są ludzie [= argument humanistyczny], którzy mówią [= zdanie własne tych osób], że gdyby masy kwarków były inne, to by nas tu nie było."
Nazywa się to argument antropiczny: świat jest tak zbudowany, że możliwe było powstanie w nim życia, i to życia inteligentnego (czego jesteśmy dowodem)

To ostatnie stwierdzenie ma bardzo poważną literaturę, poczynając od "Anthropic pricniple" Triplera i Barrowa (1986), niestety brak do dziś tłumaczenia na polski. J.D. Barrow, F.J. Tipler, Il principio antropico, Adelphi Edizioni, Milano, 2002, p. 40.
Przesyłam Panu rysunek z innego, niedawnego artykułu astrofizyka ze Szwajcarii i Australii:

L. A. Barnes “The Fine-Tuning of the Universe for Intelligent Life”, Astronomical Society of Australia, 29 (2012) 529-564

[1] Per esempio: https://crossexamined.org/fine-tuning-particles-support-life, il grafico proviene dall’articolo di L. A. Barnes “The Fine-Tuning of the Universe for Intelligent Life”, Astronomical Society of Australia, 29 (2012) 529-564, https://arxiv.org/pdf/1112.4647.pdf

Na załączonym rysunku, obszar "możliwego wszechświata" to kolor biały. Reszta to obszar niemożliwego świata: albo nie ma atomów (elektrony spadają na protony), albo nie ma reakcji termojądrowych (= nie ma gwiazd), albo w ogóle nie ma elektronów, albo cykl gwiazd kończy się na helu a więc nie ma węgla.

Co jest na osiach? na lewym rysunku, upraszczając, masa elektronu (nie wiemy dlaczego taka) a na prawym - masa kwarków (up i down) i siła oddziaływań (w atomie i w protonie).

4. Rzeczywiście, masy kwarków drugiej i trzeciej generacji są znacznie większe niż tej najlżejszej, ale to nie główny problem. Fizycy (np. noblista Stephen Weinberg, autor książki "Pierwsze trzy minuty" mówią, że badanie ciężkich kwarków to cofanie się do początku wszechświata. Rzeczywiście, ciężkie kwarki powstają w zderzeniach bardzo szybkich (niosących dużą energię) cząstek, czyli jakby bardzo gorących. Kwark strange rozpada się, o ile pamiętam, w milionowej części sekundy, a top zapewne w 10-12 sekundy albo i szybciej.

Ale prawa zachowania w fizyce: energii, pędu i momentu pędu (czyli obrotów) mówią, że wszechświat składający się z ciężkich kwarków musiał mieć masę ogromnie, ogromnie większą niż ta, która wynika z sumowania kwarków (obserwujemy, że kwark top rozpada się na jeden lżejszy, a nie na ich miliard).

Tak więc, "przerwa energetyczna mas kwarków" to czubek góry lodowej, której nie potrafimy wyjaśnić. Może to i lepiej, bo w ten sposób nadal są potrzebni młodzi fizycy (i lekarze, inżynierowie, adwokaci i poeci).

Pozdrowienia, mam nadzieję, że na razie dostarczyłem Panu minimum odpowiedzi.
Grzegorz Karwasz