Znaczenie antymaterii dla właściwości fizycznych protonuCzas czytania: 5 min

Fizycy nieustannie badają materię, dochodząc do coraz drobniejszych cząstek, z jakich ona się składa. Niemal do końca XIX wieku uważano, że ciała fizyczne są złożone z atomów, które są niepodzielnymi elementami materii. W 1897 roku J.J. Thomson dokonał odkrycia elektronów, co zapoczątkowało badania wewnętrznej struktury atomu prowadzące ostatecznie do obalenia poglądu o jego niepodzielności. W 1911 roku Ernest Rutherford zaproponował model atomu zbudowanego z jądra złożonego z dodatnio naładowanych protonów oraz krążących wokół niego elektronów naładowanych ujemnie. W 1932 roku James Chadwick uzupełnił ten model o obojętne elektrycznie neutrony, które razem z protonami tworzą jądro atomowe.

Cząstki elementarne

W 1964 roku wprowadzono pojęcie kwarków, składających się na hadrony takie jak proton i neutron, argumentując w ten sposób, że również protony i neutrony są podzielne¹. Na bazie tych odkryć stworzono model standardowy, czyli teorię fizyki cząstek elementarnych², która obowiązuje do dziś. Model ten opisuje grupy cząstek elementarnych (bozony oraz fermiony dzielące się na kwarki i leptony) i trzy oddziaływania podstawowe (słabe, silne oraz elektromagnetyczne), a zależności między elementami tej teorii opisuje relacjami matematycznymi³. Nie jest to jednak model zamknięty, bowiem co jakiś czas odkrywane są kolejne cząstki elementarne, a jednym z najbardziej przełomowych odkryć w tym względzie było odkrycie bozonu Higgsa⁴. Choć za modelem standardowym przemawiają świadectwa empiryczne, to jednak nie jest w pełni satysfakcjonujący z punktu widzenia fizyki teoretycznej⁵. Powstała nawet oddzielna gałąź fizyki teoretycznej, nazywana fizyką poza modelem standardowym, próbująca wyjaśnić niedoskonałości tego modelu, takie jak problem hierarchii, naruszenie parzystości ładunku czy asymetrię materii i antymaterii.

Antymateria i materia

Antymaterię stanowi układ antycząstek elementarnych, czyli cząstek podobnych do tych materialnych, ale posiadających przeciwny ładunek elektryczny oraz przeciwne wszystkie addytywne liczby kwantowe, co sprawia, że materia w kontakcie z odpowiadającą jej antymaterią ulega anihilacji, czyli całkowitej destrukcji. Symetria pomiędzy materią i antymaterią rodzi hipotezę, że powinny być one obecne we Wszechświecie w podobnej ilości, jednak przewidywanie to jest niezgodne z obserwacjami⁶. Istnienie antycząstek i ich interakcja z cząstkami to aspekty istotne również w modelu standardowym, tłumaczącym wzajemne oddziaływania cząstek elementarnych.

Właściwości protonu

Prototypowym przykładem silnie sprzężonego układu, w którym kwarki i gluony oddziałują zgodnie z chromodynamiką kwantową, jest struktura protonu. Choć podstawowe elementy budulcowe protonu są znane od dziesięcioleci, to jednak nadal posiadamy niepełne zrozumienie tego, w jaki sposób te cząstki i ich dynamika powodują powstanie kwantowych stanów oraz właściwości fizycznych protonu, takich jak spin⁷. Zespół kilkudziesięciu naukowców z różnych jednostek badawczych opublikował niedawno na łamach „Nature” artykuł pt. The Asymmetry of Antimatter in the Proton [Asymetria antymaterii w protonie], w którym opisują swoje próby ilościowego określenia rozkładów prawdopodobieństwa różnych typów antymaterii w protonie, przedstawiając stopień rozpowszechnienia poszczególnych antykwarków. Obserwacja protonu pozwala zauważyć, że składa się on nie tylko z kwarków i gluonów, ale również z par kwark–antykwark, które przejściowo pojawiają się i znikają wewnątrz protonu. Protony stanowią składnik materii, dlatego też zaskakującym jest odkrycie, że zawierają one cząstki antymaterii. Prawdopodobnie przyszłe badania pomogą rzucić światło na to zjawisko, np. poprzez pomiar orbitalnego momentu pędu, jaki wnoszą antykwarki do kwantowej właściwości protonu, nazywanej spinem⁸.

Ważnymi aspektami w budowie protonu są jego wewnętrzne oddziaływania energii kinetycznej i potencjalnej kwarków oraz energii gluonów, a istotną cechą ich siły, opisaną przez chromodynamikę kwantową, jest jej zdolność do tworzenia par materia–antymateria, które istnieją przez bardzo krótki czas. Przelotne pojawianie się antykwarków w protonach sprawia, że są one trudne do zbadania, jednak ich obecność można dostrzec właśnie w reakcjach anihilicaji po spotkaniu z odpowiadającym mu kwarkiem materii. Autorzy żywią nadzieję, że ich odkrycie może stanowić ważny krok w kierunku ponownego przyjrzenia się mechanizmom pochodzenia asymetrii antymaterii wewnątrz protonu. Uniwersalna zaś wartość wypływająca z tego badania, to ponowne przekonanie się, że współczesna nauka wie relatywnie niewiele na temat materii i całego Wszechświata, a każde odkrycie naukowe owszem wnosi nową wiedzę na temat złożoności materii, ale również implikuje kolejne pytania, wymagające dalszych badań.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 14.03.2021

Literatura: