Obojeni svet kvarkova

„Three quarks for Muster Mark!“, početni je stih pesmice koja se pojavljuje u četvrtoj epizodi drugog dela Fineganovog bdenja, hermetičnog romana izuzetne jezičke složenosti slavnog irskog pisca Džejmsa Džojsa (1882-1941). U nameri da ovim stihom, uperenim protiv bizarnog kralja Marka, između ostalog sugeriše i na zvukove ptica, Džojs je upotrebio neobičnu reč „kvark“ (quark), koju je izveo od dva engleska glagola, quark (graktati) i quawk (kvakati). Bila bi to samo još jedna od mnogih igara rečima jednog od najznačajnijih književnika XX veka, da reč kvark nekoliko decenija kasnije nije dobila prilično drugačije značenje od onog koje joj je Džojs prvobitno bio namenio. Američki fizičar Marej Gel-Man (Murrey Gell-Mann, r. 1929), u pokušaju da klasifikuje mezone i barione, došao je 1964. godine do zaključka kako se sve teške elementarne čestice sastoje od fundamentalnijih gradivnih elemenata, kojima je – inspirisan Fineganovim bdenjem – dao naziv kvarkovi. Atmosfera Džojsovog romana odgovarala je opskurnim svojstvima novih čestica, a na Gel-Manov izbor uticalo je i to što se u pomenutom stihu govori o tri kvarka, pošto su se u Gel-Manovoj teoriji ove subatomske čestice uglavnom pojavljivale u trojkama. Pokazalo se da su kvarkovi najmanji gradivni blokovi svih hadrona, tj. čestica koje interreaguju takozvanom jakom interakcijom. Uobičajeno je da se o hadronima poput protona i neutrona govori kao o elementarnim česticama, ali oni to nisu, jer je od Gel-Manovog otkrića postalo jasno da su to i dalje deljive čestice.

Leptoni i kvarkovi: Po svemu sudeći, kvarkovi su zaista fundamentalne čestice. Oni nemaju unutrašnju strukturu i ne mogu se razdvojiti u nešto manje. Posebno je zanimljiva njihova „zarobljenost“ (confinement), zbog koje ne postoje slobodni kvarkovi, a nijedan od brojnih eksperimentalnih pokušaja da se neki kvark istisne iz hadrona nije bio uspešan. Večito zarobljeni unutar masivnijih čestica, kvarkovi pokazuju još jednu čudnu osobinu – ponašaju se kao slobodne čestice na međusobno bliskim, malim rastojanjima, što je u većini drugih fizičkih situacija nezamislivo. Ovu karakteristiku „asimptotske slobode“ kvarkova razotkrili su 1973. godine ovogodišnji laureati Nobelove nagrade Dejvid Gros (David Gross. r. 1941), Frenk Vilček (Franck Wilczek, r. 1951) i Dejvid Policer (David H. Politzer r. 1949). Njihovo objašnjenje predstavljalo je jedan od ključnih koraka u proučavanju kvarkova i stvaranja potpune slike Standardnog modela fizike elementarnih čestica. Prema Standardnom modelu, u prirodi postoje četiri interakcije (elektromagnetna, slaba, jaka i gravitaciona) i 12 elementarnih čestica (6 leptona i 6 kvarkova), kao i 12 njihovih antičestica. Fizičari su kvarkovima dali zaista neobična imena – gore (up), dole (down), stranost (strange), šarm (charm), dno (bottom) i vrh (top) – gde se sprski prevodi šašavih imena kvarkova koriste vrlo retko. Ovi kvarkovi u međusobnim kombinacijama izgrađuju hadrone kakvi su proton (up+up+down) i neutron (up+down+down), koji potom grade atomska jezgra. Jezrgo, izgrađeno od protona i neutrona, zajedno sa elektronskim omotačem čini atom, za koji se pre samo sto godina mislilo da je najmanji gradivni element sve materije u prirodi. Put od maglovite predstave o materiji sačinjenoj od nedeljivih atoma do današnje relativno jednostavne fenomenologije elementarnih čestica u okviru Standardnog modela – koja je, uz to, potkrepljena najsloženijom ikada korištenom matematikom i velikim brojem skupih multinacionalnih eksperimenata na akceleratorima visokih energija – bio je dug, ali neprekidno uzlazan.

Visoke energije: Moderna fizika elementarnih čestica razvija se tokom poslednjih 70 godina, tačnije od 1932. godine, koja se smatra presudnom za ovu fundamentalnu oblast savremene fizike. Tokom te godine, dotadašnja slika sveta bila je trajno izmenjena u mnogo čemu. Igrom slučaja, upravo tokom 1932. godine u Nemačkoj, u seriji ponovljenih parlamentarnih izbora, Hitlerova nacistička parija (NSDAP) osvajala je sve veći i veći broj delegata u Rajhstagu iz izbora u izbore, što je početkom sledeće godine dovelo do imenovanja Adolfa Hitlera za kancelara Nemačke i time, do nepovratne promene lika savremene civilizacije. U međuvremenu, tokom iste godine, u seriji velikih otkrića, u naučnim laboratorijama došlo je do drastične promene predstave o svetu i materiji koja ga izgrađuje. U januaru 1932. godine fizičari su znali za tri elementarne čestice: elektron, foton i proton. Već u jesen iste godine broj poznatih elementarnih čestica narastao je na pet: Džejms Čedvik (1891–1974) otkriva neutron, čime dolazi do redefinisanja strukture atomskog jezgra, dok Karl Dejvid Anderson (1905–1991) otkriva pozitron, što je prva ljudima poznata antičestica. U narednim godinama broj čestica postajao je sve veći, da bi danas bilo poznato čak 36 elementarnih čestica, klasifikovanih na leptone i hadrone (a ovi na barione i mezone). Ta takozvana inflacija čestica bila je sa godinama praćena razvojem tehnologije i građenjem sve većih akceleratora na kojima su dostupne energije postale tako velike da se u drugoj polovini XX veka, u izvesnom smislu moglo izvršiti „razbijanje“ hadrona. Kada je, 1964. godine, Gel-Man objavio postojanje kvarkova, bila su poznata tri kvarka: up, down i strange. Deset godina kasnije, 1974. godine, prilikom otkrića J-psi mezona, utvrđeno je postojanje četvrtog kvarka, nazvanog charm. Peti, bottom kvark otkriven je 1977. godine, da bi 1995. godine bio otkriven najmasivniji među kvarkovima top, čime je Standardni model dobio svoju simetriju jer je broj kvarkova izjednačen sa brojem leptona. U većini ovih otkrića korišćeni su eksperimenti sa bombardovanjem čestica mete snopom čestica ubrzanih na akceleratoru, koji se prilikom takvih sudara rasejava u prostoru. Jedan primer takvih sudara je rasejanje ubrzanog snopa visokoenergetskih elektrona na protonu, kada se samo po tragu rasejanih elektrona uočava da je do sudara elektrona došlo na tačkama unutar protona, što je dokaz da unutar protona postoje od njega elementarnije čestice – kvarkovi. Ovakav indirektan uvid u sastav protona i drugih čestica zapravo je usud fizike elementarnih čestica, čiji eksperimenti pomalo liče na „pokušaje da se po tragu koji za njim ostaje odredi tip proletelog mlaznog aviona“, u citatu K. Forda.

Elastični zatvorenici: Tokom sedamdesetih godina, kvarkovi su svojim osobinama u mnogo čemu zbunjivali fizičare. Jaka interakcija, koja deluje među kvarkovima, ima pregršt neobičnih osobina. Na rastojanjima reda dimenzija hadrona u kojima su kvarkovi zarobljeni, jaka interakcija ima tako veliki intenzitet da je nemoguće razdvojiti i osloboditi kvarkove od onih za koje su vezani. Međutim, što su kvarkovi bliži jedni drugima, jaka sila među njima sve je slabija. Kada se sasvim približe, kvarkovi se ponašaju kao slobodne čestice. Upravo ovaj fenomen su 1973. godine Gros, Vilček i Policer objasnili „asimptotskom slobodom“ kvarkova. To nalikuje zamišljenoj situaciji sa tri zatvorenika koja su uzajamno vezana elastičnim užetom – što se više udaljavaju jedni od drugih, sila koja ih povezuje sve je jača, a kada se približe jedni drugima mogu da se kreću slobodno. Uvođenje takozvanog naboja „boje“ u opis ponašanja kvarkova učinilo je sliku kvarkova jasnijom. Po analogiji sa električnim nabojem naelektrisanih čestica, naboj boje je izvor jake interakcije među kvarkovima (pojam boja uopšte se ne odnosi na boju u klasičnom smislu), čime je objašnjen način na koji se kvarkovi vezuju. Kao obojene čestice, kvarkovi mogu biti crveni, plavi ili zeleni. Oni među sobom stalno razmenjuju bezmasene prenosioce jake reakcije, takozvane gluone (od glue, lepak). Gluoni su takođe obojeni, tako da prilikom razmene gluona, kvarkovi menjaju boju, ali se ukupni naboj boje uvek održava prilikom izmene gluona. Čestice koje nemaju boju ne intereaguju jakom interakcijom, a zahtev da hadroni, poput protona, ne budu obojeni, ispunjen je u kombinaciji kvarkova sve tri boje (r,g,b), kada ukupni naboj boje ima nultu vrednost. Na ovakvom mehanizmu utemeljena je teorija Kvantne hromodinamike (QCD) koja je ime dobila po boji, a razvijena je zahvaljujući radu ovogodišnjih laureata. Kvantna hromodinamika je elegantna teorija jake interakcije, testirana mnogo puta u eksperimentima, a posebno detaljno poslednjih godina u CERN-u, u Ženevi. Uprkos velikoj matematičkoj složenosti, QCD uspeva da jednostavno fenomenološki objasni kvarkove i većinu njihovih čudnih osobina. Inače, za razliku od svih poznatih elementarnih čestica, kvarkovi imaju naelektrisanje manje od elementarnog naelektrisanja e, tj. njegove trećine ±1/3e i ±2/3e. Dimenzije kvarkova su ispod reda veličine protona, oko 10-15 m, što je 100 hiljada do milion puta manje od atoma. Očigledno, na tako malim rastojanjima – uz uzajamnu zarobljenost, boje, gluone, razlomljeno naelektrisanje i druge neobičnosti – u svetu kvarkova vladaju vrlo čudna pravila. Sasvim u skladu sa etimologijom njihovog imena, poteklom iz Džojsovog Fineganovog bdenja.