Strona głównaPytania → Skąd biorą się cząstki typu...

Skąd biorą się cząstki typu fotony, mezony, itp.?

Pytanie

Pyta Joanna

Skąd biorą się cząstki typu fotony, mezony, itp.? Czy one znajdują się gdzieś w jądrze? W podręcznikach jest następujący opis, że atom składa się z elektronu, protonu i neutronu, a te z kolei z kwarków. A co np. z mezonem pi czy sigma? W jaki sposób powstają cząstki po rozpadach, czy tworzą się one z powstałej energii podczas tego procesu? Oraz gdzie umiejscowione są antycząstki?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Tak, nowe cząstki mogą się tworzyć z energii. Rozważmy na przykład atom wodoru składający się z jądra (protonu) oraz krążącego wokół niego elektronu. Załóżmy, że atom jest w stanie wzbudzonym, tj. elektron nie krąży po orbicie odpowiadającej najniższej energii. Po pewnym czasie atom przejdzie do stanu podstawowego (o najniższej energii) jednocześnie emitując foton o energii równej różnicy między energiami stanów wzbudzonego i podstawowego. W tym procesie foton jest kreowany, tworzy się z energii, nie był on wyjściowo składnikiem rozważanego układu.

W zderzeniach protonów w LHC wyzwalana energia (podzielona przez $c^2$) przekracza o wiele tysięcy razy masę spoczynkową protonów. Z tej energii powstaje m.in. bardzo wiele kwarków i antykwarków, których wcześniej nie było w zderzających się protonach. Ilość nowo powstałych kwarków musi być równa ilości powstałych antykwarków ze względu na symetrie oddziaływań, z których wynikają zarówno zasada zachowania ładunku, jak i podobna do niej tzw. zasada zachowania liczby barionowej. Kwarki i antykwarki nie mogą występować jako cząstki swobodne – wiążą się ostatecznie albo w mezony (stany związane kwarku i antykwarku), albo w bariony (stany związane trzech kwarków, takie jak proton, neutron lub $\Sigma$), albo w antybariony (stany związane trzech antykwarków).

Inny przykład: rozpad leptonu $\mu^-$ (mionu) na elektron, antyneutrino elektronowe i neutrino mionowe. Żadna z tych trzech cząstek nie była składnikiem mionu. Powstają dzięki energii uzyskanej z unicestwienia mionu. Jednak taka sama energia uzyskana w wyniku innego procesu (np. zderzenia elektronu i fotonu) nie umożliwiłaby ich produkcji. By pewne cząstki powstały muszą być spełnione również inne warunki, takie jak zasada zachowania ładunku, oraz zasady zachowania liczb leptonowych (wynikające z symetrii oddziaływań).