Ce sunt quarkurile ?

In jurul anului 1930, fizicienii erau fericiti, numarul particulelor elementare cunoscute era mic, iar clasificarea lor era simpla. Protonul si neutronul formau clasa hadronilor, particule sensibile la interactiunea tare, una din cele patru forte fundamentale pe care le cunoastem (celelalte sunt interactiunea gravitationala, interactiunea electromagnetica si cea slaba). Alte doua particule, electronul si neutrino, insensibile la aceasta interactiune erau numite leptoni. Acestor doua familii li se adauga fotonul - particula de lumina. Locul acestuia in randul particulelor elementare a devenit mai clar in anii '40, odata cu elaborarea teoriei electrodinamicii cuantice, cand s-a relevat rolul sau in intermedierea interactiunilor electromagnetice.

Dupa 1947, aceasta situatie a inceput sa se complice din ce in ce mai mult. Au fost descoperiti noi hadroni, intai in radiatia cosmica si apoi in acceleratoarele de particule. Mai mult, dezintegrarea acestor noi particule nu se realiza dupa regulile cunoscute pentru particulele supuse interactiunii tari. Intr-o prima faza, fizicienii au introdus o noua proprietate a hadronilor, care a fost numita stranietate. Aceasta marime, intr-un fel analoga sarcinii electrice are o proprietate curioasa, ea se conserva numai in reactiile intermediate de interactiunile tari. Particulele caracterizate printr-o stranietate nenula au fost numite particule stranii.

Numarul hadronilor pusi in evidenta a devenit atat de mare incat problema clasificarii lor riguroase era prioritara. In 1961, fizicianul american Murray Gell-Mann, de la California Institute of Technology a propus o solutie bazata pe teoria matematica a grupurilor. In mecanica cuantica, particulele sunt descrise de matrici, care prezinta proprietati de simetrie ca si anumite grupuri matematice. Utilizand o tehnica de descompunere a grupurilor, in subgrupuri ireductibile (analoage intr-un fel numerelor prime din multimea numerelor intregi), se pot identifica familii de particule corespunzatoare acestor subgrupuri, ale caror combinatii permit reconstituirea tuturor celorlalte. Aceste "caramizi" au fost numite quarkuri (quarks). Numele a fost introdus chiar de Murray Gell-Mann, inspirat de versul enigmatic al lui James Joyce: « Three Q u arks for Mr. Mark ». Aceasta idee a permis nu numai clasificarea corecta a tuturor hadronilor cunoscuti, ci prevedea si existenta unei noi particule (Ω) cu stranietatea -3, pusa ulterior in evidenta (1963).

Conform acestei teorii, protonul si neutronul, particule cu stranietate nula, sunt "construiti" fiecare din cate trei quarkuri. (M. Gell-Mann nu considera quarkurile ca niste particule, si datorita faptului ca sarcina lor electrica este o fractiune din sarcina electrica elementara.) Toti hadronii fara stranietate pot fi obtinuti prin combinatii a doi quarkuri numiti up (u) si down (d), ale caror sarcini sunt 2/3, respectiv -1/3 din sarcina elementara. Astfel protonul inseamna o combinatie a doua quarkuri u si a unuia d, in timp ce neutronul reprezinta doua quarkuri d si unul u. Particulele stranii contin neaparat un al treilea tip de quark, strange (s), cu stranietatea -1 si sarcina -1/3 din sarcina elementara.

Pe de alta parte la inceputul anilor 1960 s-a construit un accelerator de particule, SLAC (Stanford Linear Accelerator), in scopul studierii protonului si neutronului. Henry Kendall, Jerome Friedmann si Robert Taylor, folosind fascicule de electroni focalizate pe tinte de hidrogen si de deuteriu, ajung la concluzia ca in interiorul protonului, ca si in cel al neutronului ar exista trei "samburi" tari, care au fost numiti partoni. Dupa ani partonii au fost identificati drept quarkuri.

Particula Ω , cea cu stranietatea -3, crea insa o problema. Proprietatile ei se explica daca ar fi formata din trei quarkuri s. O asemenea combinatie este insa in contradictie cu principiul de excluziune al lui Pauli. Conform acestuia, intr-un acelasi sistem cuantic, doua particule identice cu spin semiintreg (fermioni) nu pot exista in aceeasi stare cuantica. A fost necesar sa se admita existenta unei noi proprietati, un nou fel de sarcina, care sa admita trei stari. Analogia cu cele trei culori fundamentale a dus la denumirea de culoare pentru aceasta. Conform cromodinamicii cuantice forta tare se explica prin interactiunea acestor sarcini de culoare.

La sfarsitul anilor '60 era admisa existenta a trei tipuri de quarkuri, trei arome: u, d si s. Treptat s-a admis ca doua dintre ele sunt partoni, deci particule reale. Quarkurile sunt sensibile la fortele electromagnetice, la cele tari, dar si la cele slabe. Dupa modelul din electrodinamicii cuantice, conform caruia interactiunea electromagnetica este vehiculata de foton, s-a elaborat o teorie cuantica a interactiunii slabe. In acest caz interactiunea se realizeaza prin schimbul unor particule numite bosoni W. George Gamow in cartea sa "Biografia fizicii" are o incercare plastica de descriere intuitiva a acestor "forte de schimb". El scrie: "sa ne imaginam doi caini flamanzi cu un ciolan suculent pe care fiecare cauta sa-l inhate unul altuia ca sa rupa cate o bucata. Acest ciolan gustos trece mereu de la botul unui caine in botul celuilalt si, in cele din urma, lupta va avea drept urmare faptul ca cei doi caini devin inseparabil legati." Consecinta importanta a acestei teorii a fost ca forta electromagnetica si cea slaba nu sunt decat doua aspecte ale unei singure interactiuni, interactiunea electroslaba. Pentru a pune de acord aceasta teorie cu observatiile experimentale, a fost necesar sa se admita existenta unui nou quark. Acesta a fost pus in evidenta in 1974 si numit charm (c). Existenta unui nou quark implica existenta unor noi combinatii posibile intre quarkuri, deci si a unor noi particule, toate puse ulterior in evidenta. Mai mult, se obtinea o corespondenta intre leptoni si quarkuri. Se cunosteau patru leptoni, dupa descoperirea in 1932 a mezonului μ, (numit si miuon) si apoi in 1962 a neutrinului asociat lui, neutrinul mezonic (cel asociat electronului numindu-se acum neutrin electronic). Se observau doua familii de particule cu adevarat elementare. Din prima facand parte electronul si neutrinul sau, in plus quarkurile up si down. In a doua familie intrau miuonul si neutrinul mezonic precum si quarkurile strange si charm. Aceasta sistematizare a particulelor elementare permitea si o buna explicare a interactiunilor dintre ele.

Descoperirea in 1975 a unui nou lepton, tau, care are si el un neutrino, dadea din nou dureri de cap. Daca era corecta clasificarea anterioara a leptonilor si quarkurilor, inseamna ca exista si alte quarkuri. Acestea au fost evidentiati succesiv in 1977 si 1995 la Fermilab din Chicago de Leon Ledermann. Este vorba de quarkurile beauty (b) si ultimul descoperit top (t). Tabloul particulelor elementare este din nou simetric: trei familii, adica sase quarkuri, cate unul pentru fiecare lepton.

Se pune insa intrebarea daca tabloul este complet sau nu. Experimentele efectuate in acceleratoarele de particule de la laboratoarele CERN din Geneva, corelate cu rezultatele observatiilor asupra supernovelor si masuratorile privind abundenta deuteriului in Univers au dus la concluzia ca nu exista alti neutrini in afara celor trei cunoscuti. Deoarece pana acum corespondenta dintre leptoni si quarkuri este bine verificata, este de presupus ca exista dor cele sase quarkuri cunoscute in prezent.

Este interesant de remarcat ca in afara de quarkurile u si d, prezente in proton si neutron, si de quarkul s, cel din particula Ω, ceilalti trei sunt de masa mare. Conform unei teorii la moda, cea a vidului cuantic, vidul nu este ceea ce se considera pana acum adica nimic. El ar contine (potential), toate campurile si particulele cunoscute. Acceleratoarele de particule ar avea rolul de a concentra o cantitate mare de energie, intr-un volum foarte mic, ceea ce ar provoca o fluctuatie suficienta pentru materializarea ei intr-o pereche particula - antiparticula, de exemplu electron - pozitron. In cazul quarkului top, energia necesara acestei materializari este foarte mare. Pe baza relatiei lui Einstein E = mc², masa lui ar fi egala cu cea a unui atom de plumb.

Dar daca protonul, de exemplu, contine cele trei quarkuri, nu l-am putea oare rupe in bucati pentru a le putea analiza apoi mai bine? Din pacate interactiunea dintre quarkuri creste la marirea distantei dintre ele. Conform cromodinamicii cuantice, quarkurile interactioneaza prin schimbul continuu al unor particule numite gluoni. Aceasta teorie prevede ca un quark nu poate fi niciodata izolat, nu poate fi observat separat.

Exista teorii care admit quarkurilor o structura interna. Eforturile fizicienilor se concentreaza catre elaborarea unei teorii care sa unifice toate fortele cunoscute. Astfel teoria superstringurilor presupune existenta unor particule elementare, de forma unor "coarde cuantice". Particulele pe care le punem in evidenta, de exemplu leptonii sau quarkurile nu ar fi decat manifestari ale diverselor moduri de oscilatii ale acestor coarde. Aceste teorii, extrem de abstracte, sunt deocamdata departe de a putea fi verificate experimental (cel putin asa se pare), si deci de a fi confirmate. Evolutia cunoasterii este insa atat de rapida in prezent incat ceea ce pare astazi o simpla speculatie matematica ar putea fi maine un adevar de necontestat.