Najmniejsze cegiełki materii

Nie jest więc wykluczone, że gdzieś poza skromnym dostępnym nam (dotąd) wycinkiem przestrzenno-czasowym Wszechświata istnieją obszary, gdzie prawdopodobieństwo przemian grawitacyjnych jest znacznie większe (słowa „gdzieś“ używam tu oczywiście w znaczeniu „gdzieś“ lub „kiedyś“). Być może więc, że i grawitony odgrywają gdzieś poważną rolę. Właśnie uwzględnienie takiej możliwości skłania nas do umieszczenia ich obok fotonów w spisie „cząstek“ elementarnych materii.

Mimo iż słowo „cząstka“ w odniesieniu do fotonów czy grawitonów bierzemy czasami w cudzysłów, podczas gdy elektron czy proton traktujemy jako cząstkę bez żadnych zastrzeżeń, to jednak różnica między tymi dwoma rodzajami jest zupełnie niewielka. Najbardziej chyba istotna różnica sprowadza się do różnicy w masie. Cząstki „właściwe“ posiadają pewną tzw. masę spoczynkową, tj. masę w stanie spoczynku. W ruchu przy dużych prędkościach masa ich zgodnie z teorią względności wzrasta. Natomiast fotony czy grawitony pozbawione są masy spoczynkowej. Swoją zaś bezwładność, czyli masę zawdzięczają jedynie ruchowi. Inne własności — fotony i grawitony posiadają analogiczne jak cząstki właściwe.

Mechanika kwantowa charakteryzuje cząstki elementarne przy pomocy tzw. funkcji falowych. Tutaj nie będziemy oczywiście przytaczali skomplikowanych rozważań matematycznych. Ograniczymy się jedynie do poglądowego podania wynikających z nich wniosków.

Elektron, a tak samo i inne cząstki elementarne, obracają się wokół swojej osi jak bąki.

Obrót ich fizycy charakteryzują ilościowo przy pomocy pewnej wielkości zwanej momentem pędu lub krócej krętem albo z cudzoziemska spinem. Wartość spinu wiąże się z typem funkcji falowej danej cząstki. W niniejszym artykule pominiemy funkcje falowe, będziemy zaś podawali spin.

Fotony posiadają spin równy 1 (lub 0) w odpowiednich jednostkach, których będziemy stale używali. Grawitony mają spin równy 2. Wartość spinu, wyrażająca się liczbą całkowitą, jest cechą charakterystyczną cząstek, pozbawionych masy spoczynkowej.

Przegląd cząstek elementarnych materii rozpoczęliśmy od cząstek najlżejszych, najmniej masywnych, bo zupełnie pozbawionych masy spoczynkowej. Teraz przejdziemy do omówienia cząstek coraz cięższych. Kolej na cząstki posiadające masę spoczynkową, lecz lekkie. Mogą one być obdarzone nabojem elektrycznym dodatnim, ujemnym lub być obojętne.

Lekka cząstka dodatnia —- to pozytron, przewidziany teoretycznie w 1928 r. przez fizyka angielskiego Diraca, a odkryty w 1932 r. przez fizyka amerykańskiego Andersona przy badaniu promieni kosmicznych w komorze Wilsona, umieszczonej w polu magnetycznym. Pozytrony emitowane są również przez pewne sztuczne ciała promieniotwórcze.

Lekka cząstka ujemna — to najstarszy nasz znajomy wśród cząstek elementarnych, to pierwsza poznana cząstka elementarna. Jest to mianowicie elektron, odkryty jeszcze w 1897 r. przez znakomitego fizyka angielskiego J. J. Thomsona.

Obojętna cząstka lekka nosi nazwę neutrino. Koncepcję neutrino wprowadzili do fizyki teoretycy: Pauli i Fermi. A wprowadzili ją po to, by uratować zasadę, zachowania energii. Bilans energii w przemianie promieniotwórczej B prowadzi bowiem do wniosku, że część wyzwolonej energii ginie. Uniknąć tego wniosku, burzącego podstawy całego przyrodoznawstwa, można było jedynie przez przyjęcie, że ,,ginącą“ część energii unosi ze sobą jakaś nieuchwytna cząstka. Nazwano ją neutrino. Nieuchwytność jej można było wytłumaczyć brakiem naboju elektrycznego i niezmiernie małą masą (znacznie niniejszą od masy elektronu).

Wiemy jednak, że pocisk wylatujący z lufy karabinu, unosząc z sobą pewien pęd, powoduje odskok (w przeciwnym kierunku) samego karabinu. Tego samego zjawiska mamy prawo oczekiwać w przypadku neutrino, opuszczającego z olbrzymią prędkością jądro promieniotwórcze. Niesłychanie subtelne pomiary, przeprowadzone w 1942 r. przez Allena, wykazały istotnie odskok jądra potwierdzający istnienie neutrino. Wszystkie trzy rodzaje cząstek lekkich posiadają spin równy 1/2.

Przechodzimy do cząstek średnich. Cząstki o średniej masie noszą ogólną nazwę waritronów, nadaną im przez uczonych radzieckich Alichanowa i Alichaniana. Waritrony posiadają różne masy, wynoszące po kilkaset i więcej mas elektronowych. Szczególnym przypadkiem waritronów są mezony, odkryte w 1937 r. przez fizyków amerykańskich, Andersona i Neddermeyera. Waritrony stanowią jeden z głównych składników promieni kosmicznych. Waritrony otrzymano również sztucznie w wielkim synchrocyklotronie w Berkeley w Kalifornii (Lattes i Gardner, 1948 r.).