Strona głównaPytania → Stabilność cząstek elementarnych

Stabilność cząstek elementarnych

Pytanie

Pyta Ola

Mam pytanie dotyczące Modelu Standardowego. Chodzi o cząstki z 2. i 3. generacji. Znalazłam opis, że np. kwark powabny występuje tylko w cząstkach wytworzonych sztucznie. W takim razie nie występuje on cały czas w otaczającej nas materii? Jak to możliwe, że czątka elementrana występuje tylko tworzona sztucznie i to w połaczeniu z antykwarkiem? Kiedy zatem powstaje taka cząstka i jak to zbadać? Czy to znaczy, że w atomie one nie istnieją, albo zaczynają istnieć dopiero w eksperymencie? Gdzie znaleźć takie cząstki?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Stwierdzenie, że kwark powabny występuje tylko w cząstkach wytworzonych sztucznie nie jest do końca prawdziwe. Występuje on również w cząstkach wytworzonych zupełnie naturalnie, gdy np. wysokoenergetyczny proton z promieniowania kosmicznego zderza się z atmosferą Ziemi. Mogą wtedy zostać wyprodukowane m.in. stany związane kwarków (hadrony) zawierające kwark powabny.

Prawdą jest natomiast, że wszystkie cząstki 2. i 3. generacji, a także bozony W i Z oraz bozon Higgsa są cząstkami niestabilnymi. Najdłużej żyją neutrina 2. i 3. generacji, tj. ich czas życia jest znacznie dłuższy od wieku Wszechświata. Następny w kolejności jest mion (odpowiednik elektronu w drugiej generacji). Jego średni czas życia wynosi około dwie milionowe części sekundy. To wydaje się krótko, ale lecąc z prędkością zbliżoną do prędkości światła może on w tym czasie przelecieć około 660m, nawet jeśli nie uwzględnimy wydłużenia czasu życia spowodowanego relatywistyczną dylatacją czasu. Dlatego obserwujemy bardzo wiele mionów w eksperymentach akceleratorowych oraz w produktach zderzeń promieniowania kosmicznego z atmosferą Ziemi. Pozostawiają one ślady w detektorach i w ten sposób je badamy.

Kolejnymi (pod względem długości życia) niestabilnymi cząstkami 2. i 3. generacji są kwark dziwny, kwark piękny, i dopiero za nimi kwark powabny. Kwarki występują tylko w stanach związanych – hadronach. Ślady niektórych hadronów (np. naładowanych kaonów zawierających kwark dziwny) widzimy w detektorach. Inne badamy tylko poprzez analizę własności ich produktów rozpadu (rodzaj cząstek, ich energie i kierunki lotu). Jeśli kwark się rozpada, to rozpada się również odpowiedni hadron, a wśród produktów rozpadu obserwujemy hadrony zbudowane z lżejszych kwarków.

W Modelu Standardowym jedynym stabilnym hadronem jest proton. Stabilne są również niektóre jądra atomowe – stany związane protonów i neutronów. Natomiast swobodny neutron ma średni czas życia wynoszący około 15 minut. Najdłużej żyjącym mezonem (stanem związanym kwark-antykwark) jest naładowany mezon $\pi$, którego średni czas życia wynosi około trzy stumilionowe części sekundy.

Wszystkie obserwowane czasy życia porównujemy z przewidywaniami Modelu Standardowego, i nie stwierdzamy odstępstw. Aby wykonać obliczenie czasu życia musimy znać jedynie wyjściowe parametry tego modelu, tj. masy wszystkich kwarków, leptonów, bozonów elektrosłabych i Higgsa, stałą struktury subtelnej $\alpha \simeq 1/137$ oraz podobną stałą dla oddziaływań silnych $\alpha_s(M_Z) \simeq 0.118$, a także kilka kątów opisujących mieszanie kwarków i mieszanie neutrin.

Model Standardowy praktycznie na pewno nie jest teorią ostateczną, lecz tylko niskoenergetycznym przybliżeniem bardziej fundamentalnej teorii. Kandydatkami na teorie bardziej fundamentalne są tzw. teorie Wielkiej Unifikacji, w których również proton ma skończony czas życia, choć znacznie dłuższy od obecnego wieku Wszechświata.