Το κουάρκ σαν θεμελιώδες συστατικό της ύλης

Εισαγωγή

Στις αρχές της δεκαετίας του ’30 οι φυσικοί νόμιζαν ότι είχαν ανακαλύψει όλο τον ατομικό κόσμο. Τα πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια καθώς και μερικά ακόμη σωματίδια που είχαν βρει έδιναν την εικόνα ενός τακτοποιημένου, οργανωμένου σχεδίου. Αλλά 30 χρόνια αργότερα η ειδυλλιακή αυτή εικόνα είχε χαθεί μια για πάντα. Οι φυσικοί βρέθηκαν να έχουν στα χέρια τους ένα τεράστιο πλήθος σωματιδίων, περίπου διακόσια σωματίδια, που είχαν ανακαλυφθεί, και προσπαθούσαν να τα κατατάξουν σε ομάδες για την καλύτερη εξήγησή τους. Συγχρόνως προσπαθούσαν να βρουν μοντέλα που θα μας έλεγαν πως αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τα θεμελιώδη δομικά υλικά του σύμπαντος.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο στοιχειωδών σωματιδίων περιλαμβάνει τα 12 βασικά φερμιόνια και τα 4 βασικά μποζόνια.. Έξι από τα σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο είναι κουάρκ (σε μωβ χρώμα). Έξι σωματίδια είναι λεπτόνια. Κάθε μία από τις τρεις πρώτες στήλες σχηματίζει μια γενιά ύλης. Τα καφέ τετράγωνα δεξιά δείχνουν ποιό μποζόνιο (κόκκινο) ζευγαρώνει με ποιό φερμιόνιο (μωβ και πράσινο). Σημειώστε ότι οι μάζες ορισμένων σωματιδίων υπόκεινται σε περιοδική επανεκτίμηση από την επιστημονική κοινότητα.

Έτσι τα είχαν χωρίσει:
Πρώτον στα αδρόνια, που είναι όλα τα σωμάτια που αναπτύσσουν τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Τα αδρόνια χωρίζονται στα μεσόνια (που όλα είναι μποζόνια) και στα βαρυόνια (που όλα είναι φερμιόνια).

Δεύτερον στα λεπτόνια που είναι όλα φερμιόνια και που συμμετέχουν σε ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις κι όχι σε ισχυρές.

Tρίτον στα μποζόνια βαθμίδας, που είναι οι φορείς της ηλεκτρασθενούς δύναμης (+W, -W, Z).

Και τέταρτον στα γκλουόνια (από την ελληνική λέξη γλοιόνια-κολλώδη), που είναι οι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Την εποχή όμως αυτή η εισαγωγή των κουάρκ έφερε τέτοια πρόοδο στην Ατομική Φυσική που συγκρίνεται με αυτήν της ανακάλυψης του πυρήνα, το 1911, από τον Rutherford.

Εάν τα πρωτόνια και τα νετρόνια θεωρηθούν με μήκος 10cm, τότε τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ θα είναι λιγώτερο από 0.1 mm σε μήκος, ενώ το άτομο θα έχει διαστάσεις περίπου 10 km.

Η ταξινόμηση των σωματιδίων

Πολλοί θεωρητικοί φυσικοί στις αρχές της δεκαετίας του ’60 στην προσπάθειά τους να ταξινομήσουν τον μεγάλο αριθμό υποατομικών σωματιδίων που ανακάλυψαν είτε στην κοσμική ακτινοβολία είτε στα πειράματα που έκαναν με τους επιταχυντές της εποχής εκείνης, υπέθεσαν ότι αυτά μπορούσαν να αποτελούνται από μικρότερες μονάδες της ύλης, ώστε να υπάρχει κάποια συμμετρία στη Φύση.

Έτσι, οι φυσικοί Murray Gell-Mann (Αμερικανός) και Yuvai Ne’enan (Ισραηλινός), το 1961, πρότειναν ότι κάτω από την πολυπλοκότητα της Φύσης, υπάρχει μία κρυμμένη συμμετρία, μια κρυμμένη απλότητα και έφτιαξαν δύο διαγράμματα, αρχικά, στα οποία τοποθέτησαν οκτώ μεσόνια και οκτώ βαρυόνια αντιστοίχως. Αυτά τα διαγράμματα τα ονόμασαν Eightfold Way (Οκταπλός Δρόμος) που είναι γνωστό και ως SU(3). Το όνομα αυτό λέγεται ότι το πήραν από μια αποφθεγματική ρήση του Βούδα: «Το Αριγιανό Οκταπλό Μονοπάτι». Αργότερα έφτιαξαν και άλλα διαγράμματα, στο ένα μάλιστα τοποθέτησαν 10 σωματίδια, που είχαν παρόμοιες ιδιότητες.

Σε αυτά τα ανωτέρω διαγράμματα τοποθέτησαν τα σωματίδια ανάλογα των κβαντικών τους αριθμών Ισοσπίν και Υπερφορτίου και πρόσεξαν ότι σχηματίζονταν και στα δύο παρόμοια οκτάγωνα. Στην πάνω εικόνα είχαν τοποθετήσει μεσόνια ενώ στην κάτω βαρυόνια. Αλλά στην περίπτωση, πάνω, των μεσονίων, σωμάτια και αντισωμάτια καταλαμβάνουν αντικρυστές θέσεις ενώ στην περίπτωση, κάτω, των βαρυονίων τα αντισωμάτια τους δεν βρίσκονταν στο ίδιο οκτάγωνο αλλά σε ένα άλλο, παρόμοιο, οκτάγωνο.

Όλα τα σωμάτια που βρίσκονται στην ίδια οκταμελή ομάδα, είχαν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς εκτός βέβαια του Ισοσπίν και του Υπερφορτίου. Επίσης τα μεσόνια είχαν σπιν μηδέν, ενώ τα βαρυόνια σπιν 1/2. Ένα άλλο εντυπωσιακό στοιχείο είναι ότι όλα τα σωματίδια της κάθε ομάδας αλληλεπιδρούσαν με όμοιο τρόπο.

Τα αποτέλεσματα όμως αυτά μπορούν να προκύψουν μόνο όταν τα σωμάτια υπακούουν σε μια συμμετρία ταξινόμησης μοναδιαίου χαρακτήρα όπως είναι η Ομάδα SU(3) (Special Unitary 3 διαστάσεων), η οποία προτάθηκε από τον Gell-Mann.

Η ταξινόμηση όμως αυτή θυμίζει την ταξινόμηση των χημικών στοιχείων στο Περιοδικό Πίνακα με βάση τον Ατομικό αριθμό, γι΄αυτό και η θεωρία αυτή λέγεται γεωμετρική. Και όπως ο Mendeleyev πρόβλεψε πολλά στοιχεία, άγνωστα την εποχή εκείνη που βρίσκονταν όμως σε ορισμένες θέσεις στο Π.Σ. , έτσι και στο οκταπλό αυτό σχήμα υπήρχαν σωματίδια άγνωστα την εποχή εκείνη, με γνωστούς όμως κβαντικούς αριθμούς, που αργότερα ανακαλύφθηκαν επιβεβαιώνοντας το μοντέλο του Οκταπλού Δρόμου.

Έτσι όταν προτάθηκε αυτή η σχηματική ταξινόμηση, υπήρχε ένα άγνωστο σωματίδιο σε μία θέση με σπιν 3/2, φορτίο -1, παραξενιά (παραδοξότητα) -3 και μάζα ηρεμίας 1.680 MeV. Το άγνωστο, μέχρι τότε, σωματίδιο ονομάστηκε Ω-, και ανακαλύφθηκε στον επιταχυντή του Brookhaven, αργότερα, το 1964, από τον τότε Γενικό Διευθυντή του, Νίκο Σαμίου.

Ομοίως όπως ο Περιοδικός Πίνακας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τα άτομα έχουν δομή, έτσι και οι οικογένειες που προκύπτουν από την Ομάδα SU(3) οδηγούν στο συμπέρασμα ότι τα στοιχειώδη σωμάτια (μεσόνια, βαρυόνια) πρέπει να έχουν δομή.

Ο ρόλος δηλαδή που έπαιξε η συμμετρία SU(3) ήταν να οδηγήσει τον Gell-Mann το 1964, στην εισαγωγή της ιδέας των quarks (από μια φράση του Ιρλανδού James Joyce, «Three quarks for Mr. Mark») για να δώσει την ένοοια των πιό στοιχειωδών σωματιδίων, των έσχατων δομικών λίθων για τα αδρόνια.

Υπήρχε όμως και μια άλλη σκέψη γι’αυτήν την ανακάλυψη. Επειδή η φύση των ισχυρών αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στα νουκλεόνια, από το 1930, ήταν μυστηριώδης, απρόβλεπτη και άγνωστη, έπρεπε τα νουκλεόνια να έχουν δομή ώστε η ισχυρή αλληλεπίδραση να αναπτύσσεται όχι στα νουκλεόνια αλλά στα συστατικά τους.

Ο δρόμος προς την θεωρητική και πειραματική ανακάλυψή τους ήταν ανοικτός.

Τα κουάρκ

Από τη μελέτη αρκετών βαρυονίων όσον αφορά το ισοσπίν I και την παραδοξότητά τους S (ένας άλλος κβαντικός αριθμός), προέκυψε ότι τα βαρυόνια συμπεριφέρονται σαν να αποτελούνται από τρείς νέες οντότητες, δηλαδή τα τρία κουάρκ του Gell-Mann.

Αν δεχθούμε ότι ο βαρυονικός αριθμός των βαρυονίων ισούται με 1 θα πρέπει λογικά ο βαρυονικός αριθμός των κουάρκ να είναι 1/3 και με την ίδια λογική μπορούμε να βρούμε ότι το φορτίο τους μπορεί να είναι κλασματικό (+ 2/3 αλλά και αρνητικό -1/3).

Στο πρώτο μοντέλο των κουάρκ υπήρχαν μόνο τρία: το πάνω (up), το κάτω (down) και το παράδοξο (strange). Το πάνω κουάρκ έχει συμβολισμό u και φορτίο +2/3, το κάτω κουάρκ έχει συμβολισμό d και φορτίο -1/3 και το παράδοξο κουάρκ s φορτίο +2/3. Υπήρχαν όμως και τα τρία αντι-κουάρκ τους, που τα συμβόλισαν με μία παύλα από πάνω.

Παρόλο που καμιά σχέση δεν έχουν τα ονόματά τους με τις έννοιες αυτές, η ονομασία up και down προέκυψε από την διπλή πολλαπλότητα του ισοσπίν (+1/2, -1/2) στα ανωτέρω διαγράμματα, που αντιστοιχεί στις δύο καταστάσεις του spin του ηλεκτρονίου α και κ.

Γρήγορα ο Gell-Mann κατόρθωσε να συνδυάσει τα 3 πρώτα κουάρκ με τέτοιο τρόπο που να δημιουργούνται όλα τα γνωστά βαρυόνια (συνδυασμοί ανά τρία) και όλα τα μεσόνια (συνδυασμοί ενός κουάρκ και του αντικουάρκ του).

Για την εργασία του αυτή ο Marray Gell Mann, που γεννήθηκε το 1929, πήρε το Βραβείο Νόμπελ.