Ľudia sa odnepamäti usilovali pochopiť, z čoho sa skladá hmota. Premýšľali o elementoch, geometrických útvaroch či uzlíkoch éteru. O povahe hmoty uvažovali filozofovia už stovky rokov pred naším letopočtom. O to viac pobaví, že keď sme objavili jeden zo základných stavebných kameňov hmoty, dali sme mu meno tvarôžok, teda kvark.
Trojica kvarkov tvorí protón a trochu iná trojica zasa neutrón. A ďalšie kombinácie kvarkov tvoria všeličo iné.
Neslobodné častice
Zloženie hmoty sme odhaľovali postupne – od molekúl cez atómy až po jadrá. Niekedy išlo o sofistikované úvahy a výpočty, inokedy o starú dobrú metódu: Poriadne do toho tresknem a pozriem sa, čo sa stane. Práve táto metóda prinášala svoje ovocie. Ukázalo sa, že ak zrazíte dve častice s dostatočnou energiou, bude zo zrážky vylietavať všeličo – podľa Einsteinovho vzorca E = mc2 môže energia vytvoriť novú hmotu.
Asi si vravíte, že viete, ako teda boli kvarky objavené. Narazili sme o seba dva protóny, tie sa rozpadli na kvarky, ktoré sme zachytili v detektore. Chyba, nič také sa nestalo. Kvarky majú totiž zvláštnu vlastnosť – nedokážu existovať osamotené, vždy musia byť spojené s iným kvarkom. Táto vlastnosť sa volá uväznenie (angl. confinement).
Tzv. trieskacia metóda tak mala prekážku – kvark sa z nukleónov, teda protónov a neutrónov, vyraziť nedá. Fyzici však aj tak častice zrážali a sledovali, čo pri zrážkach vzniká a ako to lieta von.
Subatomárne zoo
Pri tejto snahe nastalo niečo, čo – bez preháňania – snáď nikto nečakal, aspoň nie v takej miere. Keď sme navzájom zrážali známe častice, začalo sa objavovať množstvo iných, úplne nových a nevídaných. Dostali mená ako pióny, kaóny, sigma baryóny, eta mezóny či podivné lambda baryóny. Pri tomto názvosloví sa stráca, čo je prívlastok a čo názov. Napríklad názov poslednej menovanej častice je podivný lambda baryón, pričom podivný odkazuje na meno jedného z kvarkov. Ako vidíte, nové častice sa objavovali tak rýchlo, že sme im nestíhali dávať normálne mená. Vzniklo tak niečo, čo sa žoviálne nazýva zoologická záhrada časticovej fyziky. Fyzik Isidor Isaac Rabi to dokonale zhrnul hláškou: Kto si to objednal? Bol čas začať robiť poriadky.
Kvarky boli odhalené dvomi nezávislými spôsobmi. Murray Gell-Mann zakreslil častice do grafov, ktoré zobrazovali ich špecifické vlastnosti. Uvedomil si, že tvoria pravidelné útvary ako šesťuholníky či trojuholníky. Teda nie úplne, útvary boli štrbavé a tak povedal, že existujú ešte neobjavené častice, ktorých vlastnosti dokáže predpovedať – a tie sa naozaj podarilo pozorovať. Základom jeho modelu sú symetrické štruktúry a ich stavebným dielikom bola trojica niečoho, čo nazval kvark na základe rýmovačky v diele Finnegans Wake írskeho spisovateľa Jamesa Joycea.
Druhú vetvu viedol Richard Feynman, ktorý skúmal vysokoenergetické zrážky častíc. V podstate modeloval, ako by prebiehali zrážky, keby častice boli tvorené z niekoľkých ešte menších – bodových – častíc, ktoré dostali názov partóny. Výsledky experimentov ukázali, že v nukleónoch sú partóny tri.
Zložky nukleónov
Tu si znovu asi vravíte, že vyvrcholenie je očividné – tri kvarky od M. Gell-Manna, tri partóny od R. Feynmana, to predsa musí byť to isté! Nie, nie je.
Tri Gell-Mannove kvarky voláme u(p), d(own) a s(trange). Okrem nich sa objavili ďalšie tri, c(harm), b(ottom) a t(op). Všetky majú prudko rastúcu hmotnosť a tak spočiatku boli známe len prvé tri – na ich objavenie netreba toľko energie.
Protón je tvorený z kvarkov uud, neutrón zasa udd. S kvark, teda podivný, nie je pevnou súčasťou hmoty a názov dostal vďaka tomu, že sa ľudia snažili pochopiť, prečo niektoré novoobjavené častice prežijú tak podivne dlho. Čo v tomto svete znamená dlho? Asi desaťmiliardtinu sekundy.
Viem, že by ste asi chceli jasný a jednoznačný záver: nukleóny sú tvorené z troch kvarkov. Rád by som vám ho doprial, no nie je to úplne tak. Takže to uzavriem s tým, že nukleóny obsahujú tri valenčné kvarky a k tomu ešte všeličo iné. To všeličo iné nie je zanedbateľné, lebo ak nahliadneme do tabuliek hmotností elementárnych častíc, tri kvarky síce tvoria základ nukleónov, no sú zodpovedné len za 1 % ich hmotnosti. Hmotnosť nás všetkých je tvorená práve týmto zvyškom.
Samuel Kováčik
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
