Zoo cząstek rozszerza się

Na początku lat czterdziestych XX wieku wydawało się, że fizycy coraz lepiej radzą sobie z cząstkami podstawowymi i ich oddziaływaniami. Wiedzieli o elektronach, protonach i neutronach, a także neutrinach, a nawet pozytonach, „antycząstkach” elektronów, które Paul Dirac przewidział w latach dwudziestych. Rozumieli, że istnieją siły wykraczające poza grawitację i elektromagnetyzm, silne i słabe siły jądrowe, i pracowali nad ich lepszym zrozumieniem.

Ale zagadki pojawiały się wraz z pojawianiem się nowych, nieoczekiwanych cząstek. W 1936 r. fizycy odkryli miony w promieniach kosmicznych za pomocą eksperymentu w komorze chmurowej. (Nazwa „komora chmur” pochodzi od faktu, że elektrycznie naładowane cząstki podróżujące przez parę wodną tworzą małe smugi chmur w swoim śladzie). W podobny sposób znaleźli piony w 1947 r.

W tym samym roku Butler i Rochester ogłosili, że znaleźli cząstki, które nazwali V+ i V0. Z zestawu „niezwykłych rozwidleń” w ich danych wywnioskowali istnienie dwóch dość masywnych cząstek, jednej naładowanej dodatnio, a drugiej neutralnej, które rozpadły się na inne cząstki.

Cząstki te miały wiele ciekawych cech. Po pierwsze, były ciężkie – około pięć razy cięższe od mionów – co doprowadziło do kolejnej zagadki. Zazwyczaj cięższe cząstki mają krótszy czas życia, co oznacza, że pozostają w pobliżu przez krótszy czas, zanim rozpadną się na inne, lżejsze cząstki. Jednak podczas dalszych eksperymentów naukowcy odkryli, że pomimo swojej wagi, cząstki te mają stosunkowo długi czas życia.

Inna dziwna cecha: Cząstki te były łatwe do wytworzenia, ale fizycy nigdy nie byli w stanie wyprodukować tylko jednej z nich naraz. Na przykład, jeśli zderzymy pion i proton, możemy stworzyć nowe cząstki, ale tylko w parach. Jednocześnie mogły one rozpadać się niezależnie od siebie.

Nowy dziwny świat

W latach pięćdziesiątych Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais i inni wymyślili sposób na wyjaśnienie niektórych ciekawych zachowań kaonów i innych nowo odkrytych cząstek. Pomysł polegał na tym, że cząstki te miały własność zwaną „dziwnością”. Dziś fizycy rozumieją dziwność jako fundamentalną, kwantową liczbę związaną z cząstką. Niektóre cząstki mają dziwność równą zero, ale inne cząstki mogą mieć dziwność równą +1, -1, lub w zasadzie każdą inną liczbę całkowitą.

Co ważne, obcość musi pozostać stała, gdy cząstki powstają dzięki silnym siłom jądrowym, ale nie wtedy, gdy rozpadają się dzięki słabym siłom jądrowym.

W powyższym przykładzie, w którym zderzają się pion i proton, obie te cząstki mają obcość równą 0. Co więcej, tym oddziaływaniem rządzi siła silna, więc obcość powstałych cząstek również musi sumować się do zera. Na przykład, produkty mogą zawierać neutralny kaon, który ma dziwność 1, oraz cząstkę lambda, która ma dziwność -1, co niweluje dziwność kaonu.

To wyjaśnia, dlaczego dziwne cząstki zawsze pojawiały się w parach – dziwność jednej cząstki musi być zniwelowana przez dziwność innej. Fakt, że powstają one w wyniku oddziaływań silnych, ale rozpadają się w wyniku oddziaływań słabych, które zwykle trwają dłużej, wyjaśniał stosunkowo długie czasy rozpadu.

Te obserwacje doprowadziły do kilku bardziej fundamentalnych spostrzeżeń, mówi Jonathan Rosner, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Chicago. Gdy Gell-Mann i współpracownicy rozwijali swoją teorię, zauważyli, że mogą uporządkować grupy cząstek w wiązki powiązane dziwnością i ładunkiem elektrycznym, schemat znany dziś jako Ośmiokrotna Droga. Wysiłki mające na celu wyjaśnienie tej organizacji doprowadziły do przewidywania istnienia podstawowego zestawu cząstek: kwarków.

Długo i krótko

Inna ważna cecha teorii dziwności: Kiedy naukowcy odkryli, że dziwne kaony mogą rozpadać się na przykład na zwykłe piony, domyślili się, że słabe oddziaływanie jądrowe, w przeciwieństwie do silnego oddziaływania jądrowego, nie musi utrzymywać stałości obcości. Ta obserwacja zapoczątkowała serię teoretycznych i eksperymentalnych odkryć, z którymi fizycy zmagają się do dziś.

Budując na teoriach, które sugerowały, że neutralny kaon powinien mieć antycząstkę o dziwności przeciwnej do standardowego neutralnego kaonu, Gell-Mann i Pais doszli do wniosku, że neutralny kaon może, poprzez skomplikowane procesy związane z oddziaływaniami słabymi, przekształcić się we własną antycząstkę.

Schemat ten ma znaczące konsekwencje: Sugeruje, że istnieją dwie nowe cząstki – tak naprawdę różne kombinacje neutralnego kaonu i jego antycząstki – o różnych czasach życia. K-long, jak ją teraz nazywamy, trwa średnio około 50 miliardowych części sekundy, podczas gdy K-short trwa nieco poniżej jednej dziesiątej miliardowej części sekundy, zanim się rozpadnie. Rosner mówi, że przewidywania dotyczące tych cząstek były jednymi z ulubionych wyników Gell-Manna, ze względu na to, jak łatwo wyłoniły się z podstawowej fizyki kwantowej.

Symetria natury, zdetronizowana

Jedną z ważnych rzeczy dotyczących K-długich i K-krótkich, przynajmniej w teorii Gell-Manna i Paisa, było to, że przestrzegały one czegoś, co nazywa się symetrią CP. Z grubsza, symetria CP mówi, że gdyby zamienić każdą cząstkę z jej antycząstką i odwrócić przestrzeń w rodzaj lustrzanego wszechświata, prawa fizyki pozostałyby takie same. Symetria CP obowiązuje w całej fizyce klasycznej, a to właśnie kwantowy wariant CP był motywacją dla Gell-Manna i Paisa. (Technicznie rzecz biorąc, Gell-Mann i Pais byli pierwotnie zmotywowani przez samą symetrię C, ale musieli uaktualnić swoją teorię, gdy eksperymenty wykazały, że oddziaływania słabe naruszyły zarówno symetrię sprzężenia ładunków jak i parzystości – ale w taki sposób, że sama CP wydawała się pozostawać dobrą symetrią).

Ironicznie, wynik umotywowany przez symetrię CP doprowadził do jej upadku: W 1964 roku James Cronin, Val Fitch i współpracownicy pracujący w Brookhaven National Laboratory odkryli, że long K może – bardzo rzadko – rozpadać się na dwa piony, co jest reakcją naruszającą symetrię CP. Mimo wszystko rozpady kaonów rzeczywiście naruszają symetrię CP.

.