O neslobode kvarkov

Kvarky majú zvláštnu vlastnosť, ktorej ešte vždy nie dokonale rozumieme. Vieme však, ako sa prejavuje – kvarky nemôžu existovať oddelene, ale iba v skupinách.

Zjednodušená predstava protónu ako súboru troch kvarkov, foto wikipédia/Jacek rybak

Hmota okolo nás sa skladá z atómov a molekúl. Keď zoberieme molekulu a roztrháme ju na jednotlivé atómy, všimneme si prvú zvláštnu vec – povaha hmoty sa zmenila. Napríklad, keď roztrháme molekulu jedlej soli, dostaneme žltozelený toxický plyn a mäkký striebristý kov.

Pevná väzba

Zoberieme jeden z atómov a ideme ho rozoberať ďalej. Pochytáme elektróny a dáme ich nabok. Zostáva nám odhalené atómové jadro. To sa skladá z neutrónov a protónov, trpezlivo ich jeden od druhého oddelíme – stojí nás to výrazne viac energie ako trhanie elektrónov. Ešte sme neskončili, medzi prstami nám zostáva jediný protón. V protóne sú tri kvarky. Jeden z nich chytíme a začneme ťahať, no nejde to. Drží naozaj pevne. Zavoláme všetkých naokolo a ťaháme ako dedko repku. Stále nič, kvark v protóne drží ako prilepený. Toto označenie sedí – okrem kvarkov sa v jadre nachádzajú aj lepidlové častice, takzvané gluóny (z ang. glue, lepidlo). Pokúsime sa ešte raz, zatiahneme zo všetkých síl… a kvark povolil, vytrhli sme ho! Zaskočilo nás to, strácame rovnováhu a skotúľame sa na zem, kvark však pevne zvierame vo svojej dlani. Teda, aspoň si to myslíme. Staviame sa na nohy a ideme sa na svoj úlovok pozrieť. Otvoríme dlaň a tam nás čaká prekvapenie. Namiesto jedného kvarku sú tam dva. A čo viac, pozrieme sa na pôvodné jadro a tam sú stále tri kvarky ako na začiatku. Namiesto toho, aby sme len jeden kvark vytrhli, sme dva vytvorili.

Tabuľka častíc štandardného modelu. Slovenské preklady názvov kvarkov – horný, dolný, pôvabný, podivný, vrchný a spodný – sa v praxi nepoužívajú, ilustrácia wikipédia/MissMJ, Cush.

Zhrňme si to: keď sa snažíme oddeliť dva kvarky od seba, spočiatku držia pokope, keď však dodáme dosť energie, oddelia sa – no zároveň vzniknú dva nové kvarky, ktoré osamotené kvarky ihneď doplnia. Tomuto správaniu sa hovorí uväznenie kvarkov (quark confinement).

Analógia slamky

Porozumieť tomuto správaniu je zložité. Existuje však zjednodušujúca predstava, ktorá v sebe nesie zrnko pravdy. Predstavme si dlhú farebnú slamku. Jej konce predstavujú kvarky, samotná slamka predstavuje niečo, čo ich drží pokope. Ak začnete za konce ťahať, slamka sa roztrhne a vnútri vzniknú dva nová konce, jeden na každom konci slamky. Dajú sa kvarky oslobodiť? V podstate áno. Keď hmotu zohrejeme na dostatočnú teplotu, niečo pod dvoma biliónmi stupňov Celzia vznikne kvarkovo-gluónová hmota, hustá polievka, ktorá vypĺňala raný vesmír. Správanie kvarkov je síce prečudesné, no pre fungovanie hmoty – a teda aj nás – úplne kľúčové. Nie je zaujímavé, že otázka (ne) slobody je dôležitá aj na fundamentálnej fyzikálnej úrovni?

 Kvantová vlastnosť

Touto oblasťou sa zaoberá kvantová chromodynamika. Kvarky totiž majú vlastnosť, ktorú voláme farba, no s normálnou farbou má spoločné len málo. Ide o formu náboja a pravidlo je také, že môžu existovať iba také častice (napríklad protóny), ktoré sú farebne neutrálne. Tým sa nemyslí, že sú šedé, ale že sa farebný náboj vnútorných častíc vyruší. V príklade so slamkou bol kvark a antikvark, pričom prvý z nich je napríklad zelený a druhý antizelený. Za toto zmätočné názvoslovie sa v mene fyzikálnej komunity ospravedlňujem.

Samuel Kováčik
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.