Twoja wyszukiwarka

JERZY KOWALSKI-GLIKMAN
UWOLNIĆ KWARKI
Wiedza i Życie nr 5/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/1998

Wiele miliardów lat temu, kiedy Wszechświat liczył niespełna jedną setną sekundy, a jego temperatura była około 10 mln razy wyższa niż dziś wewnątrz Słońca, wypełniony był materią w postaci tzw. plazmy gluonowo-kwarkowej. Wydaje się, że współcześni fizycy potrafią odtworzyć ten stan Wszechświata, używając najnowocześniejszych akceleratorów, w których zderzają się ze sobą ciężkie jony rozpędzone do wielkich energii.

Żeby zrozumieć wagę odkrycia materii gluonowo-kwarkowej, trzeba wiedzieć, co na jej temat mają do powiedzenia teoretycy. Otóż powszechnie przyjętą i potwierdzoną w licznych doświadczeniach teorią oddziaływań cząstek elementarnych jest tzw. Model Standardowy. Jego część odnosząca się do oddziaływań elektromagnetycznych i słabych nosi nazwę teorii Weinberga-Salama.

Teoria oddziaływań silnych, która będzie głównym obiektem naszych zainteresowań, nazywa się chromodynamiką kwantową, czyli kwantową teorią koloru (w skrócie QCD). Zgodnie z nią silnie oddziałujące cząstki, takie jak proton, neutron, mezon p itp., nie są w rzeczywistości elementarne, lecz składają się z mniejszych składników - kwarków i gluonów. Kwarki i gluony mają specyficzny rodzaj ładunku, nazwany przez fizyków "kolorem". Zwykły ładunek elektryczny może być dodatni albo ujemny, w chromodynamice istnieją zaś trzy ładunki nazwane - przez analogię do podstawowych kolorów światła - czerwony, zielony i niebieski (i trzy "anty-ładunki": anty-czerwony, anty-zielony i anty-niebieski), choć oczywiście nie oznacza to, że kwarki pomalowane są kolorowymi farbkami.

Okazuje się, że obserwowane są jedynie takie układy kwarków, których efektywny kolor jest biały, na przykład czerwony - anty-czerwony, albo czerwony - zielony - niebieski. Jedną z podstawowych konsekwencji teorii QCD jest hipoteza, że w przyrodzie w ogóle nie występują cząstki o efektywnym kolorze, "kolorowe" kwarki i gluony na zawsze uwięzione są wewnątrz "białych" cząstek. Hipoteza ta nosi nazwę "uwięzienia kwarków".

W zderzeniach cząstek elementarnych struktura wiązań kwarków ulega zaburzeniu. Jeśli jednak energia i gęstość materii nie są wystarczająco duże, każdy kwark znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliższym otoczenia i wiąże się z nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną wartość graniczną. Wtedy każdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z którymi może się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku, może porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego. Mówiąc obrazowo: w pewnym momencie spokojne imieniny u cioci zamieniają się w dzikie technoparty.

Własności materii w stanie tej dzikiej orgii kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. QCD jest jedną z najbardziej skomplikowanych i wyrafinowanych teorii fizycznych i bardzo skutecznie opiera się wysiłkom badaczy, próbujących przewidzieć opisywane przez nią zachowanie materii w ekstremalnych warunkach.

W szczególności nie wiadomo, czy przejście od stanu "zwykłej" materii jądrowej do plazmy gluonowo-kwarkowej zachodzi stopniowo, czy też w formie gwałtownego "przeskoku" z jednej fazy do drugiej. Jeśli odbywa się to według drugiego scenariusza, możliwe jest przechłodzenie lub przegrzanie materii gluonowo-kwarkowej (podobne do przegrzania i przechłodzenia cieczy w pobliżu jej punktu wrzenia, takich jak doprowadzenie wody do temperatury powyżej 100o C i utrzymanie jej w fazie ciekłej, czy też schłodzenie pary wodnej poniżej tej temperatury i utrzymanie jej w fazie gazowej).

Jeśli tak jest w istocie, podobny efekt mógł zaistnieć we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata lub we wnętrzach niektórych gwiazd, prowadząc do powstania obszarów niestabilności, które po pewnym czasie gwałtownie wybuchały. Oznaczało by to, że wiele gałęzi kosmologii i astrofizyki należy poddać gruntownej rewizji.

W ub.r. odkryto pierwsze ślady plazmy gluonowo-kwarkowej w doświadczeniach przeprowadzonych w laboratorium CERN pod Genewą. Wyniki te są na tyle przekonujące, że nawet grupa sceptycznie nastawionych teoretyków nie potrafi inaczej wytłumaczyć tych efektów. Niestety, od pierwszych obserwacji do pełnego doświadczalnego zrozumienia własności nowego stanu materii prowadzi bardzo daleka droga. Być może, nowe światło rzucą eksperymenty przeprowadzone za pomocą akceleratora RHIC w Brookhaven w USA, który zostanie uruchomiony latem br.

Nawet jeśli ten eksperyment nie pozwoli nam na rozwiązanie wszystkich problemów, to jest niemal pewne, że w miarę pełny obraz własności plazmy gluonowo-kwarkowej uzyskamy dzięki nowemu, potężnemu akceleratorowi cząstek elementarnych LHC, którego budowa już trwa w CERN i zakończy się w roku 2004.