Z czego zrobione jest to, czego nie umiemy dostrzec. Fizyka chce wejść głębiej tam, gdzie mogą być preony
Jaka jest najbardziej fundamentalna natura materii? Już starożytni greccy filozofowie rozmyślali i debatowali nad tym problemem. Demokryt i jego mentor Leucyppus zaproponowali model najbardziej zbliżony do tego, który jest akceptowany przez współczesną naukę. Zaproponowali, że w najmniejszej skali świat składa się z atomos (po grecku „nie do przecięcia”). Pomimo podobieństwa nazwy, atomos nie są tym samym, co obecnie definiujemy jako atomy. Termin atomos miał opisywać najmniejszą niepodzielną składową część materii. To, co dziś rozumiemy jako atomy, zbudowane jest z jeszcze mniejszych cząstek, protonów, neutronów i elektronów, a te, jak zorientowali się naukowcy już w latach 60. XX wieku, składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Elektrony zaś, jak się wydaje, nie mają mniejszych składników. Należą do klasy cząstek zwanych leptonami, podzielonej na dwie klasy, jedna z ładunkiem elektrycznym, a druga neutralna elektrycznie. Neutralne leptony nazywane są neutrinami.
Obecnie według Modelu Standardowego cząstek elementarnych znamy sześć rodzajów kwarków o nazwach wymyślonych podług fantazji fizyków: górny, dolny, powabny, dziwny, niski (piękny) i wysoki (prawdziwy). Kwarki górny i dolny znajdują się wewnątrz protonów i neutronów. Wyróżnia się również sześć rodzajów leptonów, trzy z ładunkiem elektrycznym i trzy neutralne. Trzy naładowane leptony to elektron, mion i taon. Trzy neutralne leptony to neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe.
Znane kwarki i leptony cechują się w swoich właściwościach określonymi wzorcami. Istnieją trzy takie „szablony”, w których każda kopia powtarza właściwości pozostałych. Wzór ten jest niewyjaśniony, ale może być wskazówką, że kwarki i leptony składają się z mniejszych cząstek. Kwarki i leptony można uporządkować w sposób, który ujawni wzór. Zacznijmy od układu jednostek, w którym proton ma ładunek elektryczny +1, elektron ma ładunek –1, a neutron ma ładunek zero. W tym układzie kwarki górny, powabny i wysoki mają ładunek +2/3. Kwarki dolny, dziwny i niski mają ładunek –1/3. Elektron, mion i lepton taon mają ładunek –1, podczas gdy wszystkie neutrina mają ładunek zerowy.
Cząstki można następnie pogrupować w trzy odrębne rodziny zwane „generacjami”. Pierwsza generacja zawiera kwarki górny i dolny, elektron i neutrino elektronowe. Druga generacja zawiera kwarki powabne i dziwne, mion i neutrino mionowe. Trzecia generacja zawiera kwarki górny i dolny, lepton taon oraz neutrino taonowe. Cała zwykła materia może być zbudowana z powodzeniem jedynie z cząstek pierwszej generacji. Cząstki drugiej i trzeciej generacji są niestabilne i szybko rozpadają się na cząstki pierwszej generacji. Są one również coraz bardziej masywne w porównaniu z cząstkami pierwszej generacji. Nie rozumiemy sensu istnienia tych generacji. Dlaczego miałyby istnieć trzy generacje materii, skoro nasz Wszechświat wydaje się składać wyłącznie z cząstek pierwszej generacji? Jest to jedno z największych pytań fizyki, na które nie ma odpowiedzi i jednocześnie znów, zdaniem niektórych badaczy, jest wskazówką istnienia cząstek mniejszych niż kwarki i leptony.
Jeśli czegoś nie można wyjaśnić, to coś kryje się w głębi
Skąd te przypuszczenia? Z historii, która uczy nas, że niewyjaśniony wzór w fizyce subatomowej często można wyjaśnić obecnością mniejszych cząstek. Na przykład w 1869 roku Dmitrij Mendelejew utworzył układ okresowy pierwiastków chemicznych. Uporządkował on pierwiastki o podobnych właściwościach reaktywnych w kolumnach. Pierwiastki w pierwszych rzędach są lżejsze i stają się cięższe w kolejnych rzędach. Naukowcy w XIX wieku nie potrafili wyjaśnić wzoru, który widzieli w układzie okresowym. Dziś wiemy, że pierwiastki w każdej kolumnie miały podobną reaktywność chemiczną, ponieważ miały podobne konfiguracje elektronów. Na przykład, metale alkaliczne (np. lit, sód i potas) są reaktywne z powodu niesparowanego elektronu na ich zewnętrznym orbitalu. Z kolei gazy szlachetne (np. hel, neon, argon, krypton i ksenon) są chemicznie obojętne, ponieważ ich orbitale są zapełnione, nie pozostawiając elektronów do interakcji z innymi atomami. Każda kolumna w układzie zawiera pierwiastki o podobnych właściwościach chemicznych, podczas gdy każdy rząd zawiera pierwiastki cięższe niż te znajdujące się nad nim. Wzrost masy w miarę przechodzenia z górnych do dolnych rzędów układu okresowego wynika ze stale rosnącej liczby protonów i neutronów. Wzorce te zostały wyjaśnione przez nowoczesną teorię budowy atomu.
Istnieje mniej znany przykład wzorców w fizyce subatomowej, wskazujących na później odkrytą podstrukturę. Wzorce te obserwowano od połowy lat czterdziestych do połowy lat sześćdziesiątych XX wieku, w odkrywanym stopniowo „cząsteczkowym zoo”. Korzystając z akceleratorów cząstek, fizycy zderzali protony lub elektrony, tworząc cząstki, których nigdy wcześniej nie obserwowano. Odkryto ich setki różnych rodzajów. Cząstki te miały szereg właściwości – różne ładunki elektryczne, czasy życia, masy, spiny subatomowe i tajemniczą właściwość zwaną „dziwnością”. Dziwność przypisywano cząstkom, które były łatwe do wytworzenia, ale rozpadały się powoli. Cząstka o dziwności 1 rozpadałaby się na normalne cząstki. Cząstka o dziwności 2 rozpadała się na dziwne cząstki, które następnie rozpadały się na normalne cząstki.
Kiedy badacze uporządkowali cząstki odkryte w połowie XX wieku, używając ładunku i dziwności jako parametrów organizujących, wynikiem były geometryczne wzory. Wzory te zostały wyjaśnione przez odwołanie się do istnienia kwarków. Różne kombinacje kwarków górnych, dolnych i dziwnych generowały wzory geometryczne. Powstała struktura kwarków i leptonów. Obecnie niewyjaśnione są wzorce widoczne w kwarkach i leptonach. Biorąc pod uwagę lekcje z historii, rozsądne wydaje się postawienie hipotezy, że kwarki i leptony mogą same być tworzone z jeszcze mniejszych cząstek. Istnieje nawet nazwa dla tych jeszcze nieodkrytych i całkowicie hipotetycznych cząstek. Nazywa się je preonami.
Powodów, by wątpić w istnienie preonów, nie brakuje. Pierwszym jest fakt, że nie zaobserwowano dokładnych rozmiarów kwarków i leptonów. Najmniejszy rozmiar, jaki nasze mikroskopy i inne urządzenia detekcyjne są w stanie uchwycić, to około 1/1000 rozmiaru protonu. Pomiary te nie wykazały żadnego rozmiaru; z czego wniosek, że kwarki i leptony muszą być mniejsze niż około 10–18 metra. Jeśli preony znajdują się wewnątrz kwarków i leptonów, muszą być jeszcze mniejsze.
Ponadto problem dla obiektów tej wielkości stanowią prawa mechaniki kwantowej. Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że nie możemy jednocześnie znać położenia i ruchu obiektu. Dobra znajomość jednego z nich oznacza słabą znajomość drugiego. Jeśli możemy ograniczyć rozmiar preonów do istnienia w obiektach o rozmiarach schodzących do 10–18 m, to mamy niewielką wiedzę na temat ich ruchu. Mogą poruszać się bardzo szybko, czyli mieć dużo energii. Z równania Einsteina E=mc² wynikałoby, że preony musiałyby mieć masę ponad tysiąc razy większą niż proton. Biorąc pod uwagę, że kwark górny ma masę około 0,003 razy większą od protonu, mamy do czynienia z bardzo kłopotliwą sytuacją, w której obiekt o masie 0,003 razy większej od protonu zawiera w sobie co najmniej jeden obiekt o masie tysiąc razy większej od protonu.
Brzmi to mocno sprzecznie z naszą intuicją, ale w fizyce nie jest niemożliwe. Dziś fizycy nie wykluczają, że istnieje duża ujemna energia wiążąca preony. Gdyby to przyjąć, ujemna energia wiązania mogłaby zniwelować dużą dodatnią energię masową preonów. Na tym etapie są to jednak czyste spekulacje. Cała koncepcja preonów może być błędna i wcale nie cieszy się wielką popularnością w społeczności fizyków.
Gdyby jednak okazało się, że preony istnieją i to w taki sposób, jak się teoretyzuje, moglibyśmy dotrzeć do dość niesamowitej konkluzji, że świat na najgłębszym poziomie opiera się na ujemnej energii, a to silnie uderzyłoby w nasze przekonania.
Mirosław Usidus
