Kvarky tvoří veškerou hmotu, ale nikdy nebyly samy o sobě pozorovány. A mají „příchutě“ a „barvy“ – i když ani jeden z těchto termínů nemá žádný význam pro to, co vlastně dělají. Pojďme se podívat na to, proč kvarky potřebujeme k pochopení světa a co jejich „barvy“ a „příchutě“ vlastně znamenají.

Pro mnoho lidí je otázkou, proč kvarky vůbec potřebujeme? Tato otázka se objevuje často, zejména když se lidé dozvědí, že kvarky nelze od sebe oddělit, a proto jsme nikdy neviděli žádný samostatný. Nestačí elementární částice jako protony a neutrony? Proč je musíme dále rozbíjet, abychom pochopili vesmír?“

Poezie kvarku

První problémy s částicemi, které byly považovány za „základní“, se začaly objevovat v 60. letech 20. století, kdy vědci střílející elektrony do hmoty viděli, jak se zdánlivě bezdůvodně rozbíhají různými směry. Když vědci sledovali, jak a kdy elektrony mění směr, došli k závěru, že jádro se musí skládat z menších částí, z nichž do některých elektrony „narážejí“. Tyto části byly menší než protony, o kterých vědci věděli, že jsou v atomových jádrech. Uvědomili si, že tyto části musí být uvnitř samotných protonů.

To byla dobrá zpráva pro vědce, kteří se snažili zjednodušit to, co se začalo nazývat “zoo“ částic. Na počátku desetiletí dva různí fyzikové, George Zweig a Murray Gell-Man, poprvé vyslovili domněnku, že částice nejsou elementární, ale že se skládají z různých částic, které nesou buď třetinový, nebo dvoutřetinový náboj jedné z nich. Oba přišli s myšlenkou tří velmi základních elementárních částic, které by tvořily mnoho částic, jež se tak hluboce rozšířily ve fyzice. Zweig tyto částice pojmenoval „esa“. Gell-Man je nazval “kvarky“ po přečtení knihy Jamese Joyce Finnegans Wake a nesmyslné básně “Tři kvarky pro Musterovu značku“

Tato nová teorie velmi dobře fungovala při vysvětlování náboje, spinu a hmotnosti. Pomohla dát do souvislostí mnoho různých subatomárních částic. Místo zmateného množství elementárních částic s různými vlastnostmi existovaly pouze tři, jejichž kombinace tvořila rozmanitost částic, které vědci objevovali. Bylo to něco podobného jako zjištění, že mnoho látek na světě lze chápat jako kombinace relativně malého počtu atomů. Dvě různé kombinace kvarků mohly tvořit proton nebo neutron stejně jako dvě různé kombinace atomů vodíku a kyslíku mohly tvořit vodu nebo kyselinu. Jediným problémem bylo, že nikdo neměl žádný důkaz o existenci kvarků – dokud něco uvnitř protonů nezačalo způsobovat, že se elektrony začaly rozbíhat náhodnými směry. Když se elektrony rozptýlily, zdánlivě zbytečná teorie se potvrdila.

V průběhu několika následujících desetiletí byly do zjednodušeného systému přidány další kvarky, čímž se počet kvarků zvýšil na šest. Lidé zjistili, proč jsme sami žádné kvarky neobjevili. Síla, která je přitahuje k sobě ve dvojicích nebo trojicích, sílí s tím, jak se od sebe vzdalují, jako pružný pás. Pouze události s neuvěřitelně vysokou energií je mohou oddělit i na krátkou dobu. Kvarky mohou také měnit „příchuť“. Přestože nikdo dodnes „neviděl“ samostatný kvark, experimentální výsledky a pozorované vlastnosti částic se tak dokonale shodují s teorií jejich existence a neshodují se stejně dobře s žádnou jinou teorií, že jsou vědci spokojeni s jejich existencí. Vysvětlují příliš mnoho věcí příliš dobře na to, aby tam někde nebyly.

Barvy a příchutě

Název „kvark“ pochází z nesmyslné básně, což je docela fér – ale při letmém pohledu na přehled jejich vlastností se zdá, že nesmyslnost nekončí u názvu. Vyrábějí se v “příchutích“, což vzhledem k tomu, že je nelze ochutnat, nic neznamená. Mají barvy a jejich studiu se říká kvantová chromodynamika, ale je jasné, že nemají žádnou barvu, kterou bychom mohli skutečně vidět. Co je to za podivné vlastnosti a proč se musí pojmenovávat vlastnostmi, které nemají?“

Jak už bylo řečeno, kvarky se samy o sobě nevyskytují. Pohybují se ve dvojicích a některé dvojice se vždy spojí. Tyto dvojice jsou následující: nahoře a dole, půvabný a podivný, nahoře a dole. První zmíněný kvark v každé z těchto dvojic měl náboj dvou třetin protonové jednotky náboje. Druhý kvark v každé dvojici má náboj záporné jedné třetiny. V původní teorii se dva kvarky nahoru a dolů sečtou a vytvoří náboj kladné jedničky – neboli protonu. Dva kvarky down a up mají náboj, který se sčítá do nuly, a tvoří neutron. Ale pokud mají tři kvarky kladné dvoutřetinové náboje a tři kvarky záporné jednotřetinové náboje, proč tedy nejsou celkem jen dva kvarky? Jaký je v tom rozdíl? Každý z kvarků má jen nepatrně odlišnou hmotnost. Proto se při zkoumání protonů a neutronů zjistilo, že mají nepatrně odlišné hmotnosti. Odlišná kombinace kvarků jim dala jinou hmotnost. Tato kombinace náboje a hmotnosti, stejně jako několik dalších esoterických vlastností, tvoří “příchuť“ každého kvarku. Pokud jde o to, proč je nelze nazývat prostě “typy“ – možná bychom se měli zeptat Jamese Joyce.

Barvy jsou dalším zvratem na kvarky. Jsou kombinací teoretické nutnosti a experimentálních důkazů. Kvarky jsou namačkány na velmi malém prostoru a Pauliho vylučovací princip říká, že žádné dvě částice nemohou existovat ve stejném stavu současně. Dva kvarky nahoru by neměly být schopny sedět ve stejném protonu. Něco muselo být jinak. Objevily se “barvy“ kvarků. V každé příchuti existuje modrý, červený a zelený kvark. Dávají se dohromady a vytvářejí bezbarvé částice – analogicky k tomu, jak se mnoho různých barevných světel mísí a vytváří bezbarvé bílé světlo. Možná to bylo považováno za pouhý fyzikální fígl, ale experimentální srážky elektronů a antiprotonů ukázaly, že existuje třikrát více druhů kvarků, než by bylo pouze na základě “příchutí“.“

Kvarky jsou nakonec tak záhadné, protože jejich vlastnosti se vůbec nepodobají tomu, co zažíváme v makrosvětě, a přesto jsou pojmenovány podle vlastností, které dokonale známe. Převod mezi barvou, jak ji vidíme, a barvou jako v režimu bytí diktovaném matematickými a experimentálními výsledky je dezorientující. Nejlepší způsob, jak porozumět kvarkům, je pochopit, že spíše než jako exotické slouží jako způsob, jak uspořádat a zjednodušit rozlehlý subatomární svět. Jsou jakousi periodickou tabulkou prvků – pro prvky. Najdou vědci něco menšího? Kdo ví, ale pokud ano, doufejme, že to pojmenují po něčem z Jabberwockyho. Chtěl bych vidět přednášku z fyziky na téma „mome raths.“

Horní obrázek: Yarnalgo
Obrázek částic: Io9
Tabulka kvarků: MissMJ

Dvakrát NASA, třikrát Hyperphysics, Particle Adventure a Duke.

.