Iz česa je sestavljena snov? – fizika osnovnih delcev

Človek je nekoliko bližje atomu kot zvezdam. S te centralne pozicije lahko opazuje največja dela Narave z astronomom in miniaturne izdelke s fizikom. (Arthur Eddington, Britanski Astronom)

Ravno odgovarjanje na taka in podobna otroško nedolžna vprašanja je tisto, kar naredi fiziko razburljivo, vznemirljivo tudi za nekaj manj matematično naravnana ušesa. Koga pa ne zanima kaj je tisti osnovni, nedeljivi gradbeni element, iz katerega lahko zgradimo prav vse kar nas obdaja, drevesa, veje in ptice, ki žvrgolijo med njimi? Seveda ne moremo pričakovati, da lahko znanost ponudi dokončen odgovor na vprašanje ali je tisto, kar se zdi nedeljivo, resnično nesestavljeno, ali pa se pod navidezno enotnostjo skriva nov svet še manjših delcev. Na to kaže že sam razvoj vedenja o tem, kaj je osnovnii gradbeni blok narave. Na začetku tega stoletja so bili to atomi, nato protoni, nevtroni in njim podobni delci, sedaj pa so obveljali kot najosnovnejši kvarki in leptoni. Vendar, ali se tu zgodba konča?

Atomika

V fiziki se je že v začetku 19. stoletja, predvsem v kemijskih krogih, pojavila ideja o tem, da so spojine, ki jih kemiki srečujejo pri svojem delu, sestavljene iz elementov. Z zamislijo o tem, da je celotna snov sestavljena iz atomov, so fiziki najprej skušali razložiti zgradbo plinov. Tako imenovana kinetična teorija plinov je prinesla množico uspehov, vendar pa ni utišala naspronikov atomistike. Konec 19. st. se je razvnela burna razprava, v kateri sta si nasproti stala zagovornik atomike L. Boltzmann in fizikalni kemik W.F. Ostwald kot predstavnik struje “energetikov”, ki je v energiji videla osrednjo fizikalno količino in je izrecno zanikala obstoj atomov. Razgreta razprava se je končala z zmago argumentov in uvrstitvijo atomov na piedestal gradnikov narave.

A ne za dolgo. V Cambridge-u je tako že davnega 1897 J.J. Thompson odkril prvi subatomski delec, negativno nabiti elektron. Leta 1909 je nato atom dokončno izgubil famo osnovnega gradnika. Tedaj so pod Rutherfordovim vodstvom na Manchesterski univerzi z obstreljevanjem zlatih lističev odkrili, da je atom sestavljen iz majhnega pozitivno nabitega jedra in velikega negativno nabitega elektronskega oblaka, ki obdaja jedro. Nedolgo zatem je sledil teoretični model atoma, ki ga je predlagal N. Bohr. Le-ta je deloma temeljil na Newtonovi mehaniki, to je na dvesto let starih zakonih, ki jih je za makroskopska telesa odkril že Newton. Po drugi strani pa je model že vseboval sveže ideje nove teorije, ki se je je sprva oprijelo ime valovna mehanika, kasneje pa se je bolj uveljavilo ime kvantna mehanika.

Kvantna mehanika

Celotna znanost ni nič več kot le izpopolnjenje vsakdanjega razmišljanja. (Albert Einstein)

Do popolnejše kvantne teorije je moral fizikalni svet počakati do zgodnjih dvajsetih in dela Avstrijskega fizika, E. Schroedingerja. Tedaj je nastala radikalno nova fizikalna teorija, ki je za seboj potegnila tudi povsem drugačen pogled na svet. Dogodil se je podoben pretres, kot ga je doživel svet kako desetletje poprej z Einsteinovo relativnostno teorijo.

V okviru kvantne mehanike tako ne moremo več hkrati določiti hitrosti in pozicije delca (Heisenbergova neenakost). Če vemo, da ima delec natanko določeno hitrost, tedaj ne moremo prav ničesar reči o tem, kje se nahaja. Prav tako lahko govorimo le o verjetnosti za to, da se delec nahaja na določnem delu prostora, ne moremo pa s prstom pokazati, kje je delec ob danem trenutku kot npr. v Newtonovi mehaniki. Namesto, da bi gibanje delca opisali z njegovim tirom, to je potjo, ki jo riše po prostoru, ga opišemo z verjetnostjo, da se nahaja na določenem koščku prostora. To verjetnost zatem zberemo v valovno funkcijo. Valovna funkcija opisuje stanje v katerem se nahaja delec, in zadošča posebni enačbi, ki jo imenujemo Shroedingerjeva enačba. Valovno funkcijo označimo s kvantnimi števili, ki jo tako enolično določajo. Kvantno število je lahko kar energija ali gibalna količina, lahko pa tudi kaj bolj eksotičnega. (Iz kemije se srednješolci verjetno še spomnijo more z elektronskimi konfiguracijami atomov in glavnimi, stranskimi, magnetnimi in spinskimi števili, za katera pravzaprav nihče od učencev ni vedel kaj pomenijo. Ta misteriozna števila so ravno kvantna števila, s katerimi označimo valovne funcije elektronov v atomu. Do njih pridemo z reševanjem Schroedingerjeve enačbe za atom)

Kot se morda zdijo gornje trditve v nasprotju z izkušnjami iz vsakdanjega življenja, pa to nikakor ne pomeni, da kvantna mehanika opisuje izmišljen svet. Kvantna mehanika namreč svojo različnost od Newtonovega pogleda na svet pokaže šele pri zelo majhnih razdaljah (nekako v atomskem svetu), medtem ko pri večjih razdaljah preide v tako imenovani klasični, t.j. Newtonovski, opis sveta.

Ker kvantna mehanika pokaže svoje zobe ravno v atomskem svetu, ni presenetljivo, da je ravno ob opisu vodikovega atoma doživela svoj prvi triumf. Pravilno je namreč napovedala, da lahko vodikov atom zasede le točno določena energijska stanja in te energijske nivoje tudi številčno pravilno napovedala. Da notranje stanje vodikovega atoma ne more zasesti poljubne energije, pač pa le točno določene vrednosti, je nekaj popolnoma novega. To ugotovitev lahko povzamemo z drugimi besedami, da ima vodikov atom diskreten energijski spekter. V vsakdanjem, maskroskopskem, svetu se nasprotno srečujemo le z zveznim spreminjanjem energije. Če bi na primer potencialna energija lahko zavzemala le diskretne vrednosti, bi to pomenilo, da bi z nogo lahko stali le na trideset centimetrski stopnici, nikakor pa ne na deset centimetrski.

Antidelci

Kvantna mehanika, ki smo jo opisali v prejšnjem razdelku je veljavna le v območju majhnih hitrosti. Kvantno mehaniko je s principi Einsteinove posebne teorije relativnosti prvi združil Dirac. S svojim relativističnim opisom elektrona je napovedal, sicer, roko na srce, nekoliko pogumno, obstoj antidelca. Sama potreba po obstoju antidelcev leži globoko v nedrih sosdobne fizike, saj se je pokazalo, da vsaka(!) (kavzalna) kvantna teorija polja zahteva za poljuben delec tudi obstoj njegovega antidelca. Seveda obstajajo častne izjeme, popolnoma nevtralni delci so namreč lahko tudi svoji antidelci. Antidelec ima enako maso kot delec, enak spin (eno od kvantnih števil), nasprotnega predznaka pa je na primer njegov električni naboj. Ko trčita delec in antidelec, se pretvorita v čisto energijo, ki jo nato odnesejo fotoni ali kaki drugi delci. Temu procesu pravimo anihilacija (izničenje).

Prva slika sledi pozitrona, ki jo je posnel Anderson.
V sredini komore je svinčena plošča, v katero je zadel pozitron.
Sled je zakrivljena zaradi magnetnega polja v komori.

Diracovo napoved antidelcev je eksperimentalno potrdil leta 1932 Američan C. Anderson z odkritjem pozitrona, delca z enako maso kot elektron, a pozitivnim nabojem, torej popolnega kandidata za anti-elektron. Antidelčno naravo pozitrona so tudi eksperimentalno potrdili.

V letu 1996 je raziskovalcem uspelo sestaviti antivodik, t.j. antidelčni ekvivalent vodika, ki je sestavljen iz antiprotona in pozitrona. Na ta način bi seveda lahko tvorili antimaterijo, problem bi nastopil le z njenim skladiščenjem, saj se kot že rečeno antimaterija v stiku z materijo anihilira.

Sestava atomov

Že v letu 1932 je J. Chadwick pokazal, da mora jedro atoma poleg pozitivno nabitih delcev – protonov, vsebovati tudi nevtralne delce -nevtrone, ki z do tedaj nepoznano silo drži jedro skupaj, da se ne razleti zaradi močnega električnega odboja (naboji istega predznaka se pač odbijajo). Nove sile se je oprijelo ime močna jedrska interakcija (kar kaže na to, da so kasneje zasledili seveda tudi šibko jedrsko interakcijo).

Preglednica osnovnih delcev je tedaj zajemala

Tu je e₀ = 1.6010^-19 As osnovni naboj, maso pa merimo v enotah energije (po slavni formuli E = mc²), kjer je 1 MeV/c² = 1.7810^-30 kg.

Slika sveta je bila torej sila preprosta. Jedro atoma je sestavljeno iz Z (vrstnega števila) protonov in N nevtronov, pri čemer je masno število A=N+Z, jedro pa obdaja oblak iz Z elektronov, tako da je celoten atom navzven nevtralen.

Množica delcev

A kaj, ko nič ni tako preprosto, kot se zdi na prvi pogled. Začetna trojica elektron, proton in nevtron so se izkazali le za prve izmed cele množice subatomskih delcev. Fiziki, ki so v pred- in med-vojnih letih proučevali kozmične žarke, so odkrivali vedno nove in nove delce. Prava poplava subatomskih delcev pa se je sprožila s prvimi poskusi na pospeševalnikih v 50-ih in 60-ih. Tu so pospešili delce do visokih energij in jih trkali s tarčami, pri čemer so nastajali novi in novi delci, višje kot so se povzpeli po energijski skali. Tovrsten lov za novimi delci, oz. za višjimi energijami se še vedno nadaljuje, saj le tako lahko preverjamo veljavnost različnih teorij.

Nekoliko umetniški prikaz trka elektrona s pozitronom in razpad z anihilacijo mezona

Delce, ki so jih odkrili lahko delimo glede na lastnosti, ki jih nosijo. Hadroni so tako delci, ki lahko močno interagirajo, tipična predstavnika sta proton p in nevtron n, poleg njiju pa še pion , kaon K ali delec delta . Hadrone nadalje delimo na mezone, ki imajo celoštevilčen spin (0,1,2…), to sta in K, in pa na barione s polovičnim spinom (1/2, 3/2…) kamor spada . Ali je spin cel ali polovičen, je za fizike še posebno pomembno. Delci s polovičnim spinom, ki jih imenujemo z enotno besedo fermioni, namreč lahko zasedejo le po eden vsako kvantno stanje (Paulijevo izključitveno načelo), medtem ko se bozonov, to je delcev s celim spinom, lahko nagnete poljubno mnogo v isto stanje. Povezava med spinom in statistiko ima tudi teoretično osnovo in sledi neposredno iz obravnave kvantne teorije polja.

Na drugi strani so leptoni, to so delci, ki ne zmorejo močne jedrske interakcije. Sem sodi elektron, pa tudi mion . Vsi do sedaj odkriti leptoni so fermioni s spinom 1/2.

Standardni model

Naše znanje je lahko le končno, naša nevednost pa je neizbežno neskončna. (Karl Popper)

Bolj kot se je večalo število tako imenovanih “osnovnih delcev”, večji dvomi so obhajali fizike o tem, da imamo v resnici opraviti z nesestavljenimi objekti. Na začetku 70-ih so Glashow, Weinberg in Salam predlagali svoj model združitve elektromagnetne in šibke interakcije. Nekoliko spremenjeno inačico tega modela imenujemo Standardni model. Po njem imamo v naravi tri družine kvarkov, iz katerih so sestavljeni hadroni in lahko močno interagirajo, in pa tri družine leptonov. Vsi našteti delci so fermioni s spinom 1/2.

Osnovni delci
KVARKI		LEPTONI
okus	naboj(e0)	delec	naboj(e0)
u	2/3	e–	-1
d	-1/3		0
c	2/3		-1
s	-1/3		0
t	2/3		-1
b	-1/3		0

Vsakemu izmed kvarkov pripišemo svoj okus. Pravzaprav to ni nič drugega kot ime kvarka, ki pa v nekaterih modelih igra nekoliko bolj poglobljeno. Tako poimenujemo najlažje kvarke u (up), d (down) in s (strange), medtem ko težji kvarki nosijo imena c (charm), b (bottom) in t (top). Obstoj slednjega so potrdili šele pred kratkim (Lov na top kvark). Kvarki so zaradi narave močne interakcije vedno vezani v hadrone, tako da prosti kvarki v naravi ne obstajajo. Zaradi tega je tudi nemogoče neposredno izmeriti mirovno maso kvarkov. Na njihovo maso lahko sklepamo le iz različnih modelov, zato se ocene mas med seboj zelo razlikujejo, odvisno pač od tega kateri model uporabimo. Ocena za maso u kvarka se tako giblje med 2 in 8 MeV.

Podobno kot kvarkov, imamo tudi šest leptonov, prav tako razvrščenih v tri družine. To so elektron e^– in elektronski nevtrino , mion in mionski nevtrino ter tauon in tauonski nevtrino . Nabiti leptoni so masivni, medtem ko njim pripadajoči nevtrini nimajo mase. Pravzaprav v sam model vstopajo vsi gornji delci kot brezmasni, medtem ko njihove mase v model vnesemo naknadno kot dodatne proste parametre. Model sam ne more določiti mase osnovnih delcev. Ustvariti teoretično podlago za maso osnovnih delcev je še vedno eden od odprtih izzivov sodobne fizike.

Vsak izmed dvanajstih osnovnih delcev ima seveda še svoj antidelec. Tako za vsak kvark obstaja še antikvark, ki ga označimo s črtico nad znakom za okus. Tako recimo antikvark kvarku u označimo z . Antidelec elektrona je kot že omenjeno pozitron , medtem ko sta antidelca negativnega miona in tauona, pozitivni mion in tauon, in . Ime pozitron namesto pozitivni elektron se je ohranilo le iz zgodovinskih razlogov. Antinevtrino podobno kot anti-kvarke označimo s črto, .

Med delci delujejo štiri osnovne sile: gravitacijska, electromagnetna, šibka in močna jedrska sila. Interakcija med delci poteka z izmenjavo virtualnih bozonov, nosilcev interakcije. Tako preko brezmasnega fotona poteka izmenjava elektromagnetne interakcije, izmenjava šibke interakcije poteka preko treh masivnih šibkih bozonov Z⁰, W⁺ in W^–, medtem ko je pri močni interakciji v igri kar osem brezmasnih gluonov. Seveda se naštete interakcije med seboj v dobršni meri razlikujejo, a imajo kljub temu podoben teoretski opis. Močna jedrska sila ima tako tri različne barvne naboje, rdečega (R), zelenega (G), in modrega (B), kar lahko primerjamo z dvema nabojema elektromagnetne sile, pozitivnim in negativnim. Podoben izvor kot ostale tri naj bi imela tudi gravitacijska sila, kjer naj bi bili nosilci interakcije gravitoni, hipotetični delci brez mase, le da je celotna slika še nejasna. To področje je še vedno vroča domena raziskav teorijskih fizikov, ki iščejo poenoteno teorijo, v katere okvir bi se vklopila tudi gravitacija.

Slika sveta je torej naslednja. Močna jedrska sila nam kvarke veže v barione (trije kvarki), antibarione (trije anti-kvarki) in mezone (kvark in anti-kvark). Tako dobimo proton, nevtron in vso ostalo množico subatomskih delcev. Protone in nevtrone močna jedrska sila nadalje veže v jedra (pozitivno nabita), ker pa ima zelo kratek doseg, se tu njen vpliv neha.

Nanje sedaj elektromagnetna interakcija veže elektrone, tako da dobimo električno nevtralne atome, ali pa le te veže naprej v molekule. To je tudi tista sila, ki najbolj posega v naše vsakdanje življenje, saj na pretakanju električnega naboja temelji celotna elektrotehnika, prav tako pa so v njeni domeni tudi kemijske reakcije. Njen doseg je sicer neskončen, vendar pa deluje le med nabitimi objekti. Ker so astronomski objekti električno nevtralni, tako pride na velikih razdaljah do izraza le gravitacijska sila, ki obvladuje nebesno mehaniko.

Omenimo še pomen šibke jedrske sile. Le ta na primer povzroči razpad nevtrona . Če je nevtron vezan v jedru, je to ravno radioaktivni beta razpad.

Nadaljnje branje

• Iz take so snovi kot sanje,J.Strnad (poljuden pristop)
• Fizika-četrti del, J.Strnad (učbenik)
• Nekaj več o elektronu in atomu http://www.nmsi.ac.uk/on-line/electron/
• Cern http://www.cern.ch/
• Stanfordski Linearni trkalnik http://heplibw3.slac.stanford.edu/
• Particle Data Group http://www.cern.ch/pdg/pdg.html

Jure Zupan, kvarkadabra.net – številka 3 (februar 2000)

-