Cząstki? Jakie cząstki? W subatomowym zoo robi się coraz dziwniej, ale i ciekawiej

Zaczęło się od tego, że „najmniejsze drobiny materii”, wcale nie są najdrobniejsze i tak naprawdę nie wiadomo, czy istnieją „w środku” jeszcze drobniejsze i czy szukanie coraz bardziej fundamentalnych pokładów rzeczywistości kierunek, który do czegoś konstruktywnego prowadzi.

Długi jest szereg odkryć, które podważają tradycyjne rozumienie cząstki elementarnej (1). Są np. takie, że w kondensatach atomy zachowują się jak jedna „supercząstka”, co podważa sens podziału na odrębne cząstki. Sam fakt, że kwarki i gluony, z których składają się protony czy neutrony, same nigdy nie występują w izolacji, kwestionuje pojęcie autonomii takich obiektów. Teoria strun zakłada, że cząstki to drgające struny energii, a nie punktowe obiekty. Pomysły supersymetrii zakładają istnienie „superpartnerów” znanych cząstek o różnych właściwościach. Wszystko to stawia pod znakiem zapytania co najmniej elementarność cząstek, a bardzo często też w ogóle ich istnienie jako obiektywnie odrębnych, „indywidualnych” obiektów.

Bezmasowy wszechświat równoległy?

W artykule opublikowanym w 2023 r. w „The European Physical Journal H”, Robert Harlander i Jean-Philippe Martinez z uniwersytetu w Akwizgramie oraz Gregor Schiemann z Uniwersytetu Bergische w Wuppertalu, ogłosili, że fizyka cząstek elementarnych może być u progu nowej ery. „W ciągu ostatniego stulecia fundamentem fizyki było pojęcie cząstki”, pisze Martinez, jednak, jak dodaje, dziś mówi się raczej o „powłokach”, które mogą wykazywać właściwości cząstek.

Mglistych, jak owe „powłoki”, pojęć i konceptów jest w fizyce cząstek sporo. Można np. zachodzić w głowę, jak może istnieć cząstka, która nie ma masy? Masę utożsamia się potocznie, choć mylnie, z ciężarem. Kiedy podnosimy coś, aby sprawdzić jego ciężar, to na naszej planecie w gruncie rzeczy dokonujemy pomiaru ziemskiej grawitacji. Jednak masa to coś innego, zwłaszcza w skali najmniejszych kawałków materii. Tak więc definicja masy w fizyce staje się nieco bardziej skomplikowana, a co za tym idzie, rozumienie pojęcia bezmasowości.

W nowoczesnej fizyce mówi się, że większość fundamentalnych cząstek materii, takich jak elektrony, miony i kwarki, uzyskuje swoją masę w odpowiedzi na przenikające Wszechświat pole zwane polem Higgsa. Im bardziej pole Higgsa przyciąga cząstkę, tym większą ma ona masę. Jeśli chodzi o cząstki złożone, takie jak protony i neutrony, które składają się z kwarków, to większość ich masy pochodzi z oddziaływania jądrowego silnego, która utrzymuje kwarki w połączeniu. Jednak na fotony i gluony, dwie cząstki przenoszące oddziaływanie, znane również jako bozony cechowania, pole Higgsa nie oddziałuje.

Fotony są związane z oddziaływaniem elektromagnetycznym, a gluony są związane z silnym. Oczekuje się, że grawiton, bozon związany z grawitacją, również jest bezmasowy, ale jego istnienie nie zostało jeszcze potwierdzone. Owe bezmasowe cząstki mają pewne unikatowe właściwości. Są stabilne, więc w przeciwieństwie do niektórych cząstek nie tracą energii, rozpadając się na pary mniej masywnych cząstek. Ponieważ cała ich energia ma charakter kinetyczny, zawsze podróżują z prędkością światła, co ma taką, zgodną z teorią względności, konsekwencję, że nie ma nie wpływu czas. Ale wpływa na nie grawitacja. Grawitacja wpływa na wszystko, co ma energię, nawet na cząstkę, która nie ma żadnej masy. To dlatego przyciąganie grawitacyjne obiektów takich jak galaktyki i skupiska ciemnej materii zakrzywia tor światła, czyli strugę fotonów, w przestrzeni.

Być może foton i gluon nie są jedynymi bezmasowymi cząstkami we Wszechświecie. Naukowcy mogą pewnego dnia znaleźć wspomniany grawiton. Może się też okazać, że najlżejsze z trzech rodzajów neutrin ma zerową masę. Niektórzy uczeni sugerują, że istnieje cały, niewykrywalny dla nas (przynajmniej na razie), świat lub wszechświat cząstek bezmasowych, które istnieją równolegle do naszego, nurzającego się w polu Higgsa.

Fotony z niczego

Jak wiadomo, według mechaniki kwantowej pusta przestrzeń nie jest tak naprawdę pusta. W próżni roi się od kwantowych cząstek i antycząstek „wirtualnych”, które pojawiają się i znikają. Należą do nich między innymi pary elektron-pozyton i pary fotonów, które są swoimi własnymi antycząstkami (to samo w sobie jest kolejną dziwnością podważającą rozumienie cząstki jako autonomicznego bytu). Tak czy inaczej, zazwyczaj owych „wirtualnych” cząstek nie można bezpośrednio „nakryć”, choć wywierają subtelny wpływ na „prawdziwy” świat.

Wirtualne fotony pojawiające się i znikające wytwarzają losowo zmieniające się pole elektryczne, które modyfikuje poziomy energetyczne elektronu wewnątrz atomu; mierzył je jako pierwszy Hendrik Casimir w położonych blisko siebie metalowych płytkach. Nie tak dawno Claudius Riek, Alfred Leitenstorfer i inni badacze z uniwersytetu w Konstancji w Niemczech ogłosili, że bezpośrednio zaobserwowali wpływ na polaryzację światła tych fluktuacji pola elektrycznego. Naukowcy zaobserwowali zmianę poziomu szumu o kilka procent, co przypisują fluktuacjom próżni. Niektórzy fizycy mają wątpliwości, co tak naprawdę mierzy nowy eksperyment. „Właściwości materiału będą fluktuować same w sobie”, ocenił w komentarzu do badań Steve Lamoreaux, fizyk z Uniwersytetu Yale, więc niekoniecznie „można przypisać te fluktuacje samej próżni”.

W 2011 roku Christopher Wilson, fizyk z Kanady, i jego współpracownicy opublikowali w czasopiśmie „Nature” informację, że udało im się przeobrazić fluktuacje próżni w prawdziwe fotony. W modelu teoretycznym miałoby to polegać na przyspieszaniu zwierciadła w jedną i drugą stronę z prędkością bliską prędkości światła. Wilson wykorzystał bardziej praktyczny analog - system, w którym efektywna długość małej wnęki nadprzewodzącej może być modyfikowana elektronicznie. Fotony „prawdziwe” to więcej, przynajmniej pojęciowo, niż „wirtualne”, choć niejedna osoba czytająca o tych efektach może zacząć mieć wątpliwości co do tych rozróżnień. Naukowcy wykryli fotony, które odpowiadały przewidywaniom tzw. dynamicznego efektu Casimira. Statyczny efekt Casimira przewiduje, że zwierciadła są trzymane nieruchomo. Dynamiczny efekt Casimira dotyczy zwierciadeł, które się poruszają. Badanie przeprowadzone przez Wilsona wykazało dynamiczny efekt Casimira w układzie naśladującym zwierciadło poruszające się z prędkością prawie 5 proc. prędkości światła.

Nurt badań nad „wytwarzaniem cząstek z niczego” był potem kontynuowany. W 2013 r. Pasi Lähteenmäki z Uniwersytetu Aalto w Finlandii i jego koledzy ujawnili, że zmieniając prędkość, z jaką może poruszać się światło, mogą sprawić, że światło (czyli fotony) pojawi się z niczego. Naukowcy szczegółowo opisali swoje odkrycia w „Proceedings of the National Academy of Science”. Prędkość światła w próżni jest stała, zgodnie z teorią względności Einsteina, ale jego prędkość, gdy przechodzi przez dowolny materiał, zależy od właściwości tej substancji, znanej jako jej współczynnik załamania. Zmieniając współczynnik załamania materiału, naukowcy mogą wpływać na prędkość, z jaką poruszają się w nim zarówno rzeczywiste, jak i wirtualne fotony. Lähteenmäki mówi, że można myśleć o tym systemie jak o zwierciadle, a jeśli jego grubość zmienia się wystarczająco szybko, wirtualne fotony odbijające się od niego mogą otrzymać wystarczającą ilość energii z odbicia, aby zamienić się w prawdziwe fotony. „Wyobraź sobie, że przebywasz w bardzo ciemnym pomieszczeniu i nagle zmienia się współczynnik załamania światła”, wyjaśniał to w publikacji Lähteenmäki. „Pokój zacznie świecić”.

Byty cząstkopodobne

Tak czy inaczej, mimo narastających wątpliwości, wciąż istnieje rozróżnienie na „prawdziwe” cząstki elementarne i byty cząstkopodobne, określane też jako kwazicząstki. Ich świat szybko się rozrasta i staje się coraz bardziej egzotyczny. Kwazicząstki powstają w wyniku skomplikowanych oddziaływań ogromnych liczb innych cząstek. Fizycy opisują je w ciele stałym, cieczy lub plazmie poddanym ekstremalnym temperaturom i ciśnieniom. Powstały wskutek oddziaływać system owych nibycząstek może być całkiem stabilny i mieć dobrze zdefiniowane właściwości, takie jak masa i ładunek, czy właściwie być całkiem jak „normalna materia” (cudzysłów konieczny, gdyż tradycyjne pojęcia w tej sferze rozmywają się).

Polarony, na przykład, kwazicząstki powstające jako wynik lokalnego odkształcenia sieci krystalicznej spowodowanego oddziaływaniem elektrostatycznym w wyniku przemieszczania się w krysztale naładowanej cząstki (elektronu lub dziury), odkryte przez Leva Landaua w 1933 roku, opisywane są przez liniowe oddziaływania elektronów-fononów, przy czym te drugie same są kwazicząstkami, kwantami energii drgań sieci krystalicznej o bozonowych własnościach.

Naukowcy mogą opisywać kwazicząstki, które mają precyzyjnie określony ułamkowy ładunek elektronowy lub spinowy. Jednak sposób, w jaki powstają te egzotyczne właściwości składające się na kwazicząstki, wciąż nie jest całkiem zrozumiały. Korzystając po trosze z własnej intuicji, domysłów, a po trosze - z symulacji komputerowych, fizycy materii skondensowanej powoli radzą sobie z ustaleniem, które kwazicząstki są teoretycznie możliwe, a które są wyłącznie wymysłem. Jednocześnie w laboratoriach badawczych, w których fizycy poddają nowe materiały coraz nowszym ekstremalnym warunkom, ogród zoologiczny kwazicząstek szybko się rozrasta i stają się one coraz bardziej egzotyczne.

Ostatnie odkrycia mówią m.in. o pitonach, nieruchomych fraktonach i odkształconych wrinklonach. Czy one istnieją „naprawdę”? To niełatwe pytanie, a może źle postawione. Fizycy mają pewność, że można mówić o zestawie właściwości, który konstytuuje ich powstanie i istnienie.

Być może nie każdy elektronik się nad tym zastanawiał, ale jedną z najwcześniej odkrytych kwazicząstek była dobrze mu znana „dziura”, która jest po prostu brakiem elektronu w miejscu, w którym powinien występować. Fizycy w latach 40. odkryli, że dziury poruszają się wewnątrz ciał stałych zupełnie tak, jak dodatnio naładowane cząstki. Jeszcze dziwniejsze, również znane od dość dawna jako hipoteza, i potencjalnie bardzo użyteczne, są kwazicząstki Majorany, które cechuje swoiste rozdwojenie jaźni - są jednocześnie w połowie elektronami a w połowie dziurami.

Wielu uczonych przypuszcza, że kwazicząstki Majorany mogą być wykorzystane do stworzenia komputerów kwantowych. Kiedy poruszamy elektronem i dziurą wokół siebie, przechowują one informacje, jak rodzaj splecionego wzoru. Różne pozycje cząstek i kwazicząstek odpowiadają jedynkom, zerom i superpozycjom „1” i „0”, co łącznie daje kubity obliczeń kwantowych. Ich nadzwyczajny skład sprawia, że mają zerową energię i zerowy ładunek, a to teoretycznie pozwala im istnieć wewnątrz pewnego rodzaju nadprzewodnika, czyli materiału, który przewodzi prąd elektryczny bez oporu. Żadne inne cząstki nie mogą w tym hipotetycznym materiale istnieć, co tworzy „lukę” uniemożliwiającą rozpad kwazicząstki Majorany, a stabilne kubity to święty Graal informatyki kwantowej. Od 2010 r. eksperymentatorzy dążą do zbudowania rzeczywistych kwazicząstek Majorany, wykorzystując skomplikowane układy nadprzewodników, nanodrutów i pól magnetycznych.

Rosnące zoo kwazicząstek, z całą gamą niezwykłych postaci, oferuje fizykom zestaw narzędzi, dzięki którym mogą budować modele innych systemów, które są trudno dostępne lub niemożliwe do uzyskania, takich jak czarne dziury. Symulacje tych obiektów próbuje się zbudować z polarytonów, kwazicząstek będących mieszaniną materii i światła.

Naukowcy używają dwóch zwierciadeł, aby uwięzić foton wewnątrz klatki, która zawiera również ekscyton, sam w sobie będący rodzajem kwazicząstki składającej się z elektronu i dziury, które orbitują wokół siebie. Ekscyton różni się od kwazicząstki Majorany, która jest połową elektronu i połową dziury w tym samym miejscu i w tym samym czasie. Foton odbija się tam i z powrotem pomiędzy lustrami mniej więcej milion razy, zanim ucieknie, a gdy się odbija, foton łączy się z ekscytonem, tworząc polaryton. Wiele fotonów i ekscytonów jest zamykanych w klatkach i łączonych w ten sposób, a te polarytony zachowują się masowo jak płynne światło, które nie ma tarcia i nie rozprasza się. Naukowcy zaprojektowali przepływ tych polarytonów tak, aby naśladował on ruch światła wokół czarnej dziury. Płynne światło nie jest stabilne i w końcu foton ucieka. To właśnie ta nieszczelna klatka pozwala uczonym badać, jak czarne dziury ewoluują w czasie.

Jeśli jakaś kwazicząstka może się rozpaść, to w końcu się rozpadnie. Na przykład magnon, kwazicząstka zbudowana z fragmentów pola magnetycznego poruszających się po materiale, może rozpadać się na dwa inne magnony tak długo, jak długo energia tych produktów nie jest większa od energii oryginalnego magnonu.

Badania zespołu Rubena Verresena, fizyka materii skondensowanej z Uniwersytetu Harvarda, postawiły dość ustabilizowany obraz kwazicząstek na głowie. W pracy opublikowanej w 2019 r. on i jego koledzy opisali, jak teoretycznie modelowali rozpadające się kwazicząstki, a następnie stopniowo zwiększali siłę oddziaływań między nimi, aby zobaczyć, co się stanie. Początkowo, zgodnie z oczekiwaniami, kwazicząstki rozpadały się szybciej. Ale potem, ku zaskoczeniu Verresena, kiedy siła oddziaływania stała się bardzo duża, kwazicząstki powracały. „Nagle znów mamy kwazicząstkę, która zdaje się nieskończenie długowieczna”, komentował Verresen w komunikacie z badań.

Następnie zespół przeprowadził symulację komputerową badającą zachowanie ultrazimnego magnesu i zaobserwował pojawienie się magnonów, które nie uległy rozpadowi. Wykazał, że ich nowe odkrycia silnie oddziałujących kwazicząstek mogą wyjaśnić pewne zagadkowe cechy zaobserwowane w eksperymentach z magnonami w 2017 roku. To więcej niż zgrabna teoria, te wieczne magnony występują w otaczającej nas przyrodzie. Odkrycia sugerują zatem, że kwazicząstki mogą być o wiele bardziej trwałe niż kiedyś sądzili badacze. Granica między cząstką a kwazicząstką staje się niewyraźna. „Nie widzę fundamentalnej różnicy”, zauważa Verresen.

Kwazicząstki powstają z układów wielu cząstek. Jednak to, co nazywamy cząstkami elementarnymi, takimi jak kwarki, fotony i elektrony, może nie być tak elementarne, jak nam się wydaje. Niektórzy fizycy podejrzewają, że te pozornie fundamentalne cząstki wyłaniają się podobnie jak kwazicząstki, choć nie wiadomo dokładnie z czego. Zakłada się jednak, że jest to coś bardziej podstawowego. Zdaniem Leona Balentsa, teoretyka badającego kwantowe stany materii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, obiekty, które uważamy za cząstki elementarne, prawdopodobnie nie są takie znów elementarne - są to raczej kwazicząstki, tylko w jakimś innym fizycznym układzie odniesienia, którego jeszcze nie znamy i nie rozumiemy.

Mirosław Usidus