Była to dobra wiadomość dla naukowców, którzy starali się uprościć to, co stało się znane jako ”zoo” cząstek. Na początku dekady dwóch różnych fizyków, George Zweig i Murray Gell-Man, po raz pierwszy spekulowało, że cząstki nie są elementarne, ale składają się z różnych cząstek, które niosą jedną trzecią lub dwie trzecie ładunku każdej z nich. Obaj wpadli na pomysł trzech bardzo podstawowych cząstek elementarnych, które tworzyłyby wiele cząstek, które tak bardzo rozprzestrzeniły się w fizyce. Zweig nazwał te cząstki ”asami”. Gell-Man nazwał je ”kwarkami”, po przeczytaniu Finnegans Wake Jamesa Joyce’a i nonsensownego wiersza ”Trzy kwarki dla Muster Mark”.

Ta nowa teoria działała bardzo dobrze w wyjaśnianiu ładunku, spinu i masy. Pomogła ona umieścić wiele różnych cząstek subatomowych w kontekście. Zamiast oszałamiającej liczby cząstek elementarnych o różnych własnościach, istniały tylko trzy, których kombinacja tworzyła różnorodność cząstek odkrywanych przez naukowców. To było trochę jak uświadomienie sobie, że wiele substancji na świecie może być rozumianych jako kombinacje stosunkowo niewielkiej liczby atomów. Dwie różne kombinacje kwarków mogą tworzyć proton lub neutron, tak jak dwie różne kombinacje atomów wodoru i tlenu mogą tworzyć wodę lub kwas. Jedynym problemem było to, że nikt nie miał żadnych dowodów na istnienie kwarków – aż do momentu, gdy coś wewnątrz protonów zaczęło sprawiać, że elektrony rozchodziły się w przypadkowych kierunkach. Kiedy elektrony się rozproszyły, pozornie zbędna teoria została potwierdzona.

W ciągu następnych kilku dekad do uproszczonego systemu dodano kolejne kwarki, zwiększając ich liczbę do sześciu. Ludzie dowiedzieli się, dlaczego nie znaleźliśmy żadnych kwarków samodzielnie. Siła, która przyciąga je do siebie w parach lub trójkach, rośnie wraz z oddalaniem się od siebie, niczym elastyczna taśma. Tylko niewiarygodnie wysokoenergetyczne zdarzenia mogą je rozdzielić nawet na krótki czas. Kwarki mogą również zmieniać „smak”. Chociaż do dziś nikt nie „widział” kwarka, wyniki eksperymentów i zaobserwowane właściwości cząstek tak doskonale pasują do teorii ich istnienia, a nie pasują do żadnej innej teorii, że naukowcy są zadowoleni z ich istnienia. Wyjaśniają zbyt wiele rzeczy zbyt dobrze, by nie mogły gdzieś tam być.

Kolory i smaki

Nazwa „kwark” pochodzi z nonsensownego wiersza, co jest wystarczająco uczciwe – ale szybkie spojrzenie na podsumowanie ich właściwości pozwala sądzić, że nonsens nie kończy się na nazwie. Występują w „smakach”, co – skoro nie można ich skosztować – nic nie znaczy. Mają kolory, a badanie ich nazywa się chromodynamiką kwantową, ale jasne jest, że nie mają one żadnego koloru, który moglibyśmy zobaczyć. Jakie są te dziwne właściwości i dlaczego muszą być nazwane właściwościami, których nie mają?

Jak powiedziano wcześniej, kwarki nie występują samodzielnie. Wędrują w parach, a pewne pary zawsze się łączą. Pary te są następujące: góra i dół, uroczy i dziwny, góra i dół. Pierwszy z wymienionych kwarków w każdej z tych par ma ładunek równy dwóm trzecim jednostki ładunku protonu. Drugi kwark w każdej parze ma ładunek ujemny jednej trzeciej. W pierwotnej teorii dwa kwarki górne i jeden kwark dolny sumują się, tworząc ładunek dodatni – czyli proton. Dwa kwarki dolne i jeden górny mają ładunki równe zeru i tworzą neutron. Ale jeśli trzy kwarki mają ładunki dodatnie w dwóch trzecich, a trzy kwarki mają ładunki ujemne w jednej trzeciej, to dlaczego w sumie nie ma tylko dwóch kwarków? Co to za różnica? Każdy z kwarków ma tylko nieznacznie różną masę. To właśnie dlatego protony i neutrony, gdy je badano, miały nieco inne masy. Inna kombinacja kwarków dała im inną masę. Ta kombinacja ładunku i masy, jak również kilka innych ezoterycznych cech, składa się na „smak” każdego kwarka. Jeśli chodzi o to, dlaczego nie można ich po prostu nazwać ”typami” – może powinniśmy zapytać Jamesa Joyce’a.

Kolory są kolejną odmianą kwarków. Są one połączeniem teoretycznej konieczności i dowodów doświadczalnych. Kwarki są ściśnięte razem w bardzo małej przestrzeni, a Zasada Wykluczenia Pauliego mówi, że żadne dwie cząstki nie mogą istnieć w tym samym stanie w tym samym czasie. Dwa kwarki górne nie powinny być w stanie znaleźć się w tym samym protonie. Coś musiało być inaczej. Pojawiły się „kolory” kwarków. Kwarki niebieski, czerwony i zielony występują w każdym smaku. Łączą się one razem, tworząc bezbarwne cząstki – analogicznie do tego, jak wiele różnych kolorowych świateł łączy się w bezbarwne białe światło. Mogło to być uważane za czynnik fudge factor dla fizyki, ale eksperymentalne zderzenia elektronów i antyprotonów wskazały, że istnieje trzy razy więcej rodzajów kwarków niż byłoby tylko na podstawie ”smaków”.

W końcu, kwarki są tak tajemnicze, ponieważ ich właściwości nie są podobne do tego, czego doświadczamy w makroświecie, a jednak są nazwane dla właściwości, które doskonale znamy. Przekładanie między kolorem takim, jakim go widzimy, a kolorem w trybie bycia dyktowanym przez matematyczne i eksperymentalne wyniki, jest dezorientujące. Najlepszym sposobem na zrozumienie kwarków jest zrozumienie, że nie są one egzotyczne, ale służą jako sposób na uporządkowanie i uproszczenie rozległego subatomowego świata. Są one czymś w rodzaju układu okresowego pierwiastków – dla pierwiastków. Czy naukowcy znajdą coś mniejszego? Kto wie, ale jeśli tak, miejmy nadzieję, że nazwą je imieniem czegoś z Jabberwocky’ego. Chciałbym zobaczyć wykład z fizyki na temat „mome raths.”

Top Image: Yarnalgo
Wizerunek cząstki: Io9
Tablica z kwarkami: MissMJ

Via NASA dwukrotnie, Hyperphysics trzykrotnie, Particle Adventure, oraz Duke.

.