Akceleratory i kwarki

Akceleratory
Zespół akceleratorów w CERN-ie jest jednym z najbardziej uniwersalnych na świecie. W jego skład wchodzą zarówno akceleratory (przyspieszacze) jak i zderzacze cząstek elementarnych i wykorzystywane są wiązki elektronów, pozytonów, protonów, antyprotonów a także "ciężkich jonów" (jąder atomów np. tlenu, siarki lub ołowiu). Każdy typ przyspieszanych cząstek produkowany jest w inny sposób, ale sposób przyspieszania pozostaje taki sam. Przyspieszanie cząstek odbywa się w kilku etapach. Pierwszym etapem jest zazwyczaj akcelerator liniowy, a następnie cząstki przesyłane są do większych akceleratorów kołowych. W CERN-ie znajduje się dziesięć akceleratorów, a największymi z nich są wielki zderzacz elektronowo-pozytonowy LEP (Large Electron Positron collider) i supersynchrotron protonowy SPS (Super Proton Synchrotron).
Akceleratory w CERN-ie są jednymi z największych i najbardziej złożonych urządzeń na świecie. Należą do najwspanialszych pomników nauki XX wieku, ponieważ zbudowano je w oparciu o najnowsze technologie.
Akceleratory dzielą się na dwa typy: liniowe i kołowe. W CERN-ie znajdują się oba typy. Aby dostarczyć energię wiązce cząstek, w akceleratorach używa się silnego pola elektrycznego. Pole magnetyczne służy do utrzymania cząstek w wiązce oraz w akceleratorach kołowych do zakrzywiania toru wiązki wewnątrz pierścienia akceleratora.
Akceleratory liniowe dostarczają energii cząstkom na całej swojej długości, więc im dłuższy akcelerator, tym większą energię możemy nadać przyspieszanym cząstkom.

Kwarki


Koncepcje istnienia kwarków wysunęli Murray Gell-Mann i Zweing w roku 1964. Istnieje sześć rodzajów kwarków (czasami mówi się o sześciu różnych zapachach kwarków), ale fizycy łączą je w pary: górny/dolny (up/down), powabny/dziwny (charm/strange) i prawdziwy/piękny (true/beauty) lub inaczej zwane szczytowym i dennym (top/bottom). Kwarki posiadają ładunek elektryczny ułamkowy równy 2/3 lub -1/3 ładunku elektronu (elementarnego). Posiadają oprócz tego inny typ ładunku zwany ładunkiem kolorowym lub krótko kolorem, który jest źródłem silnego oddziaływania jądrowego, wiążącego kwarki w cząstkach i spajające jądra atomowe. Kolor jest niewidoczny. Kolory są trzy (czerwony, zielony i niebieski), a więc w rzeczywistości zamiast sześciu występuje aż osiemnaście naładowanych różnymi kolorami ładunków. Kwarków swobodnych nie obserwujemy ponieważ siła oddziaływania swobodnych kwarków roście wraz z odległością. Ale co jest zaskakujące w bardzo małych odległościach kwarki zachowują się inaczej.
Gdy zbliżamy się coraz bardziej z odległościami między kwarkami do zera, siły ustają i kwarki stają się swobodne. Mówimy wówczas o zjawisku asymptotycznej swobody. Po raz pierwszy to opisali David Gross, H. David Politzer i Frank Wilczek w 1973 roku, za co dostali nagodę Nobla z fizyki w 2004 roku. Taką swobodę mają kwarki w hadronach. Hadrony są obojętne kolorowo i tylko takie cząstki mogą isnieć. Przykładem hadronu jest proton i neutron
Cząstki tworzące materię (leptony i kwarki) mają spin połówkowy i są fermionami. Podlegają one zakazowi Pauliego, czyli nie mogą występować jednocześnie w tym samym stanie. Każdy fermion posiada swą antycząstkę - cząstkę antymaterii.
Cząstki będące cegiełkami materii łączą się w trzy rodziny. W każdej z nich znajdują się dwa kwarki i dwa leptony.
Pierwsza rodzina: elektron, neutrino elektronowe, kwarki -n górny (up) i dolny (down). Druga rodzina: mion, neurino mionowe, kwarki - powabny (charm) i dziwny (strange). Trzecia rodzina: taon, neurino taonowe, kwarki - denny (bottom), zwany też pięknym i szczytowy (top), zwany też prawdziwym.
Cały istniejący wokół nas trwały i stabilny świat jest złożony z cząstek pierwszej rodziny. Na przykład proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, a neutron z dwóch dolnych i jednego górnego. Atomy zaś mają protony i neutrony w jądrze, okrążanym przez elektrony. Po co w naturze pozostałe dwie rodziny? Nie wiadomo. Tym bardziej, że własności cząstek drugiej i trzeciej rodziny są niemal dokładnie takie same jak pierwszej. Jedyna różnica to ta, że w kolejnych rodzinach cząstki są coraz cięższe.
Ponieważ jednak pierwsza rodzina istnieje, to wszystkie rzeczy zbudowane z cząstek należących do dwóch ostatnich rodzin są nietrwałe i rozpadają się w ułamku sekundy. Podejrzewamy, że istniały krótko tuż po Wielkim Wybuchu, a obecnie potrafimy je wyprodukować na moment w laboratoriach.