Wracam do mojego ulubionego tematu – kwarków. Ich odkrycie nie nastąpiło bezpośrednio, lecz pośrednio, poprzez analizę wyników eksperymentów. Zanim naukowcy potwierdzili ich istnienie, przypuszczano, że cząstki takie jak protony, neutrony czy mezony muszą mieć strukturę wewnętrzną i składać się z bardziej podstawowych elementów. Świat fizyki cząstek elementarnych już wtedy domagał się głębszego wyjaśnienia – pewne zjawiska związane z zachowaniem hadronów nie dawały się zrozumieć w ramach dotychczasowych teorii.
Przełom przyniósł eksperyment przeprowadzony w latach 1968–1969 w ośrodku Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) przez zespół fizyków kierowany przez Jerome’a Friedmana, Henry’ego Kendalla i Richarda Taylora. Podczas bombardowania protonów i neutronów elektronami o bardzo wysokiej energii zaobserwowano, że cząstki te rozpraszają się tak, jakby nie były jednorodnymi kulami, lecz zawierały w swej strukturze mniejsze, bardziej złożone elementy. Wyniki okazały się nie do pogodzenia z modelem „niepodzielnych” protonów i neutronów – w ich wnętrzu wyraźnie coś się poruszało.
Nie istniał jednak żaden sposób bezpośredniej wizualizacji tego zjawiska – struktura była zbyt mała, by można ją było zobaczyć. Wówczas Murray Gell-Mann oraz niezależnie od niego George Zweig zaproponowali czysto teoretyczną hipotezę: proton i inne hadrony mogą składać się z jeszcze mniejszych obiektów. Te hipotetyczne cząstki nazwano kwarkami. Samo słowo „quark” Gell-Mann zaczerpnął z powieści Finneganów tren Jamesa Joyce’a – pozornie przypadkowy dźwięk stał się nazwą fundamentalnego składnika materii.
Jednym z kluczowych problemów, które trzeba było rozwiązać, był rozkład ładunku elektrycznego w takich obiektach. Uczeni opracowali model, według którego proton zbudowany jest z trzech kwarków: dwóch górnych (up) o ładunku +2/3 oraz jednego dolnego (down) o ładunku –1/3. Suma tych ułamkowych wartości daje +1, czyli dokładnie tyle, ile wynosi ładunek protonu. W przypadku neutronu mamy odwrotną kombinację – dwa kwarki down i jeden up. Ich ładunki: (–1/3) + (–1/3) + (+2/3) sumują się do zera, co wyjaśnia elektryczną obojętność neutronu.
Na pierwszy rzut oka pomysł wydawał się śmiały, wręcz kontrowersyjny – jak bowiem cząstki o ułamkowych ładunkach mogłyby tworzyć stabilne struktury? Odpowiedzią okazała się właściwość zwana „uwięzieniem kwarków”. Kwarki nigdy nie występują samodzielnie: są trwale związane w strukturze hadronów, a siła, która je łączy – tzw. silna interakcja – rośnie wraz z próbą ich rozdzielenia. Dlatego nigdy nie udało się zaobserwować pojedynczego kwarka w naturze. Paradoksalnie: im mocniej próbujemy je od siebie oddzielić, tym silniej się ze sobą wiążą.
Tak powstała teoria, która okazała się niezwykle spójna i elegancka. Pozwoliła wyjaśnić własności wielu znanych cząstek elementarnych oraz przewidzieć istnienie nowych. Trudno uwierzyć, że hipoteza oparta wyłącznie na analizie pośrednich danych zyskała tak ogromną wiarygodność – i to bez żadnego „zdjęcia” czy bezpośredniego dowodu wizualnego. A jednak działa.
Model kwarkowy stał się od tamtej pory jednym z filarów współczesnej fizyki cząstek. Dziś wiemy o istnieniu sześciu rodzajów (tzw. „zapachów”) kwarków: up, down, charm, strange, top i bottom. Każdy z nich odgrywa swoją rolę w kosmicznej układance, której pełnego obrazu wciąż nie znamy. Zaglądając w głąb materii, odkrywamy światy coraz bardziej zaskakujące – światy, w których rzeczywistość okazuje się bardziej złożona, niż moglibyśmy sobie wyobrazić.
Dla mnie cała ta historia brzmi jak opowieść przygodowa. Czuję ten sam dreszcz emocji, jaki towarzyszył mi, gdy jako nauczyciel fizyki opowiadałem uczniom, w jaki sposób R. A. Millikan wyznaczył ładunek elementarny (e). Posłużył się przy tym metodą niezwykle pomysłową.
Eksperyment Millikana z kroplami oleju – zaprojektowany na początku XX wieku – to jeden z najważniejszych momentów w historii fizyki doświadczalnej. Wiedziano już wówczas, że prąd elektryczny przenoszą elektrony, ale wartość ich ładunku pozostawała nieznana. Joseph John Thomson odkrył elektron w 1897 r. i wyznaczył stosunek ładunku do masy (e/m). Brakowało jednak niezależnego pomiaru samego ładunku (e).
W 1911 r. Robert Andrews Millikan (Amerykański fizyk) opracował eksperyment, w którym rozpylone krople oleju umieszczał między dwiema płytkami kondensatora i obserwował je przez mikroskop. Krople mogły spadać pod wpływem grawitacji lub unosić się, jeśli działano na nie odpowiednio dobranym polem elektrycznym. W stanie równowagi siła ciężkości (Fg = mg) równoważyła się z siłą elektrostatyczną (Fe = qE). Najpierw Millikan mierzył prędkość opadania kropli bez pola elektrycznego, co pozwalało wyznaczyć jej rozmiar z prawa Stokesa. Następnie regulował pole elektryczne tak, aby kropla zatrzymała się w miejscu. Używał zależności:
qE = mg → q = mg / E
Powtarzając pomiary dla wielu kropli, Millikan zauważył, że otrzymywane wartości ładunku są zawsze wielokrotnościami pewnej najmniejszej liczby – ładunku elementarnego e. Jego pomiar okazał się tak precyzyjny, że pozwolił również wyznaczyć masę elektronu. Za to osiągnięcie otrzymał Nagrodę Nobla w 1923 r.
Nasuwają się tu pewne refleksje: w przypadku kwarków i całego Modelu Standardowego nauka w ogromnej mierze opiera się na modelach i konstrukcjach teoretycznych, które – choć niezwykle skuteczne – pozostają konceptualne. Zawsze istnieje możliwość, że nowe odkrycia lub eksperymenty zmienią nasze rozumienie rzeczywistości. I właśnie w tym tkwi piękno nauki: jest procesem nieustannego zbliżania się do prawdy, a nie jej ostatecznym posiadaniem.
