Dużo dzieje się w protonie
Zarówno my, jak i nasze otoczenie składamy się z atomów, a ich materiał budulcowy z kolei stanowią elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony, a więc składowe jąder atomowych, są do siebie bardzo podobne: zawierają te same kwarki i mają niemal takie same masy. Istnieje jednak coś, co zdecydowanie odróżnia protony od neutronów; tym czymś jest ich stabilność. Protony nie ulegają rozpadowi, nawet pozostając poza jądrem, i cały kosmos jest nimi wszędzie wypełniony. Neutrony zaś poza jądrem szybko rozpadają się na inne cząstki.
Jak zajrzeć do protonu?
Budulce protonu, czyli dwa kwarki górne i jeden dolny, są ze sobą niezwykle mocno związane tzw. silnym oddziaływaniem jądrowym, przenoszonym przez gluony. Niewiele jednak wiadomo, co jeszcze dzieje się wewnątrz protonu. Ale badacze świata subatomowego są pewni, że musi w nim istnieć coś, co równoważy silne wiązania jądrowe, gdyż w przeciwnym razie kwarki zapadłyby się grawitacyjne. Jak zatem zajrzeć do środka protonu? Jedną z ciekawszych koncepcji przedstawił w 1966 r. amerykański fizyk Heinz Pagels, który zaproponował, by mechaniczną strukturę wnętrza tej cząstki, a więc energię i pęd kwarków, zbadać grawitacyjnie, np. oddziałując na nią wiązkami grawitonów. Niestety, grawitony wciąż pozostają nieodkryte, poza tym sam Pagels w swojej pracy doszedł do wniosku, że oddziaływania grawitacyjne na poziomie subatomowym są tak bardzo słabe, iż praktycznie niemożliwe do zbadania. Nieco później pojawił się więc pomysł zainspirowany pracami słynnego fizyka amerykańskiego Richarda Feynmana, by wewnętrzną strukturę hadronów (proton należy do rodziny hadronów) badać przy użyciu mocno przyspieszanych elektronów. I ta koncepcja została wykorzystana w badaniach w Jefferson Lab.
Ciśnienie jak w gwieździe neutronowej
W zeszłym roku naukowcy z ośrodka Thomas Jefferson National Accelerator Facility w Wirginii, powszechnie zwanego Jefferson Lab, zastosowali do badania wnętrza protonu zjawisko zwane rozpraszaniem komptonowskim. W swoim eksperymencie tak przyspieszyli elektrony, że zdołały spenetrować proton i wejść w interakcje z kwarkami (powstawały wysokoenergetyczne fotony). To pozwoliło na sporządzenie szczegółowej mapy energii i pędu protonowych kwarków i ostatecznie na określenie wartości rozpychającego proton ciśnienia, które chroni go przed kolapsem. Zgodnie z przewidywaniami ciśnienie skierowane na zewnątrz było równe temu, które scala kwarki, czyli skierowanemu do wewnątrz. Chociaż to wewnętrzne rozkłada się nieco inaczej niż zewnętrzne. Generalnie jednak wartość ciśnienia występującego w centrum protonu oszacowano na 100 decylionów paskali, co wyraża się zapisem jedynki z 35 zerami. Tę wartość podano w skali krótkiej, stosowanej w USA; w skali długiej, stosowanej m.in. w Polsce, odpowiada to 100 kwintyliardom paskali. To gigantyczna wartość. By ją przybliżyć, można podać przykład gwiazdy neutronowej zawierającej zdegenerowaną i niewyobrażalnie mocno upakowaną materię powstałą po wybuchu supernowej. Jedna mała łyżeczka materii gwiazdy neutronowej waży ok. 6 mld t, czyli jest równa np. masie Mount Everestu. Tak wielkie jest ciśnienie działające na tę materię. W protonie ciśnienie scalające kwarki jest aż... dziesięć razy wyższe. Podobnie wysokie jest oczywiście ciśnienie odwrotne, chroniące kwarki przed grawitacyjnym zapadnięciem się.
Czy protony są wieczne?
Uczeni z Jefferson Lab zamierzają prowadzić tą metodą dalsze zaawansowane badania wnętrza protonu i chcą m.in. bliżej przyjrzeć się jego wewnętrznej mechanice, co być może da obraz tego, jak kwarki tej cząstki poruszają się względem siebie. Im więcej będziemy wiedzieć o tym, jakie warunki i mechanizmy panują wewnątrz protonu, tym szybciej się dowiemy, czy cząstka ta może kiedyś ulec rozpadowi. Generalnie rzecz biorąc, fizyka nie zna żadnej zasady, która zabraniałaby protonowi kiedyś się rozpaść. Tyle że obserwowane przez nas protony nie rozpadają się – wręcz przeciwnie, są wyjątkowo trwałe. Ale być może wcale nie są też nieśmiertelne i kiedyś, po odpowiednio długim czasie, i one zaczną ulegać rozpadowi. Pewne eksperymenty sugerują, że czas życia protonu jest ogromny – dłuższy niż 10 do 34 potęgi lat (inny zapis tego interwału to jedynka z 34 zerami lat). Tymczasem cały wszechświat liczy sobie zaledwie 13,8 mld lat, więc przed protonami jeszcze naprawdę bardzo długie i stabilne życie. Gdyby ta cząstka subatomowa nie była trwała, nasz wszechświat nie mógłby istnieć. Zdecydowana większość materii (99%), którą w nim obserwujemy, a więc galaktyki, gwiazdy czy mgławice, to zjonizowana plazma wodorowa składająca się z niezwiązanych ze sobą protonów i elektronów. Gdyby protony nie były trwałe – na zawsze lub bardzo długo – plazma nie mogłaby istnieć w kosmosie jako stan materii.
Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”