powrót do strony uzupełnień
Jeszcze w połowie lat 30-tych XX wieku wydawało się, że wiedza o fundamentalnej strukturze materii była niemal kompletna. Ponad dwie dekady wcześniej Rutheford wykazał, że atomy mają stosunkowo małe, lecz ciężkie jądro atomowe. Teoria kwantowa wyjaśniała widma atomów oraz orbitale elektronowe. Odkrycie neutronu wyjaśniło istnienie izotopów pierwiastków. Tak więc protony, neutrony i elektrony były wówczas elementarnymi cegiełkami materii. Pozostało jednak kilka zagadek:
Co wiąże protony i neutrony tak, że razem tworzą one jądra atomowe?
Jakie siły są odpowiedzialne za rozpady promieniotwórcze jądra, w wyniku których uwalniane są promienie alfa, beta i gamma?
By zbadać jądro atomowe oraz oddziaływanie protonów i neutronów, z których się ono składa, fizycy potrzebowali narzędzia, którym można by wysondować niewielkie jądro - podobnie jak wcześniejsze doświadczenia z rozpraszaniem umożliwiły zbadanie wnętrza atomu. Akcelerator jest urządzeniem, które pozwala fizykom na badanie bardzo małych struktur poprzez wytwarzanie cząstek o bardzo dużym pędzie, a tym samym małej długości fali. Długość związanej z cząstką fali (
) jest odwrotnie proporcjonalna do pędu (p) cząstki (= h/p),
gdzie h jest stałą Plancka.
W doświadczeniach z cząstkami badane są zderzenia cząstek o wysokiej energii, które otrzymuje się za pomocą akceleratora. W nowoczesnych eksperymentach duże, wielowarstwowe detektory otaczają punkt, w którym następuje zderzenie. Zadaniem każdej warstwy detektora jest rejestracja i identyfikacja każdej z wielu cząstek mogących powstać w rezultacie pojedynczego zderzenia.
Ku wielkiemu zdziwieniu fizyków, doświadczenia z akceleratorami ujawniły ogromną ilość nowych cząstek; wiele z nich było podobnych do protonów i neutronów (nazwano je barionami) - odkryto też całkiem nową rodzinę cząstek, którą nazwano mezonami. Do początku lat 1960-tych zarejestrowano około setki nowych rodzajów cząstek, a fizycy wciąż nie rozumieli fundamentalnych sił przyrody.
W roku 1964 dwaj fizycy - Murray Gell-Mann - George Zweig - niezależnie od siebie wpadli na pomysł, żeby protony i neutrony, a także wszystkie inne cząstki wyjaśnić poprzez kilka rodzajów jeszcze mniejszych obiektów; Gell-Mann nazwał je kwarkami. Byli oni w stanie wszystkie 
obserwowane bariony i mezony za pomocą trzech rodzajów kwarków (ich obecne nazwy to: górny, dolny i dziwny) i odpowiadających im antykwarków. Rewolucyjnym krokiem w ich teorii było przypisanie kwarkom ładunku elektrycznego równego 2/3 i -1/3 ładunku protonu, czyli ładunków, których nigdy nie zaobserwowano!
Antykwarki są cząstkami antymaterii, będącymi odpowiednikami danego kwarka. Każdy antykwark ma tę samą masę, lecz przeciwny ładunek do odpowiadającego mu kwarka. Kiedy kwark spotka się z antykwarkiem, to mogą one ulec anihilacji, czyli unicestwieniu i przekształceniu w inne formy energii.
Przez blisko 30 lat, a także w wielu późniejszych eksperymantach, idea kwarków została potwierdzona. Jest ona obecnie częścią Modelu standardowego fundamentalnych cząstek i oddziaływań. Nowe odkrycia pokazały, że jest sześć rodzajów kwarków (nadano im dość "ciekawe" nazwy: górny, dolny, dziwny, powabny, piękny oraz prawdziwy - w kolejności rosnącej masy). Jest też sześć rodzajów cząstek - w tym elektron - zwanych leptonami. Model standardowy opisuje oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne kwarków i leptonów, i tym sposobem teoria ta wyjaśnia mechanizm wiązań jądrowych oraz rozpadów.
Powodem, dla którego ułamkowe ładunki elektryczne kwarków nie są nigdy obserwowane, jest to, że kwarki nie występują nigdy samodzielnie, lecz jedynie wewnątrz cząstek złożonych, zwanych hadronami. Są dwa typy hadronów: bariony, które składają się z trzech kwarków, oraz mezony, zawierające jeden kwark i jeden antykwark. Przykładowe tabele hadronów na planszy Modelu standardowego podają skład kilku z wielu znanych cząstek. Cząstki złożone z pięciu pierwszych rodzajów kwarków zostały uzyskane i zbadane w laboratoriach z akceleratorami. Kwark prawdziwy posiada tak dużą masę, że upłynęło wiele lat, zanim zbudowano akceleratory o odpowiednio wysokiej energii, by go wytworzyć. Kwark prawdziwy został w końcu odkryty w kwietniu 1995r. w laboratorium Fermilab.
W przeciwieństwie do kwarków, każdy z sześciu leptonów może występować samodzielnie. Elektron jest najlepiej znanym leptonem. Dwa inne naładowane leptony: mion (odkryty w 1936r.) i lepton tau (odkryty w 1975r.) różnią się od elektronu tylko tym,
że mają większą masę.
Trzy pozostałe leptony, które nazwano neutrinami, są nieuchwytnymi cząstkami, nie mają ładunku elektrycznego, a ich masa jest bardzo mała (jeśli nie zerowa?!). Z każdym rodzajem neutrina związany jest jeden rodzaj naładowanego leptonu.
Dla każdego z sześciu leptonów istnieje jeszcze antylepton, posiadający tę samą masę, lecz przeciwny ładunek.
Teraz znamy już elementarne cegiełki materii, lecz musimy jeszcze zapytać: Co skleja te cegiełki, by tworzyły one większe struktury? Wszystkie siły spowodowane są oddziaływaniem cząstek. Znamy cztery rodzaje oddziaływań: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe. Grawitacja jest chyba najbardziej bliską nam siłą, jednak nie jest ona częścią Modelu standardowego, ponieważ efekty jej działania są niezmiernie małe w procesach zachodzących między cząstkami, a co więcej, fizycy nie mają pomysłu, jak dołączyć ją do teorii.
Siły elektromagnetyczne są nam również bliskie - są one odpowiedzialne za wiązanie elektronów z jądrem atomowym, w wyniku czego mamy obojętne atomy. Atomy łączą się, tworząc molekuły lub struktury krystaliczne; spowodowane jest to siła elektromagnetyczną pomiędzy naładowanymi częściami całej struktury.
Większość sił, z jakimi spotykamy się na co dzień, takich jak podtrzymywanie nas przez podłogę lub tarcie, jest wynikiem sił elektromagnetycznych w materii, która opiera się przemieszczaniu atomów lub elektronów z ich położenia równowagi w materiale.
W procesach z udziałem cząstek siły opisane są poprzez wymianę cząstek; dla każdego rodzaju siły mamy określoną cząstkę, będącą nośnikiem siły. Nośnikiem siły elektromagnetycznej jest foton; promienie gamma to nazwa nadana fotonowi z przemiany jądrowej.
Dla odległości znacznie większych od rozmiaru jadra atomowego dwie pozostałe siły mają bardzo małe działanie i dzięki temu nigdy nie zauważamy ich w życiu codziennym. Lecz jesteśmy od nich bardzo mocno uzaleznieni, gdyż wiążą one wszystko, z czego zbudowany jest świat, a także powoduja rozpady, dzięki czemu niektóre rodzaje materii są niestabilne.
Oddziaływanie silne wiąże razem kwarki w hadrony; nośnik siły nazwany został tu gluonem, ponieważ niezwykle skutecznie skleja on kwarki (glue w j. ang. oznacza - sklejać). Za wiązanie protonów i neutronów w jądrze atomowym odopwiedzialne jest szczątkowe oddziaływanie silne, spowodowane przez silnie oddziałujące za pomocą gluonów kwarki z sąsiadujących nukleonów. Leptony nie oddziałują silnie.
Oddziaływania słabe są jedynym procesem, w którym kwark może ulec przemianie w inny kwark, oraz lepton - w inny rodzaj leptonu.
Są one odpowiedzialne za rozpady wszystkich cięższych kwarków i leptonów w kwarki i leptony o mniejszej masie. W rezultacie cała stabilna materia otaczającego nas świata zbudowana jest jedynie z elektronów i dwóch najlżejszych kwarków: górnego i dolnego. Nośnikami oddziaływania słabego są bozony W i Z. Rozpad beta jądra atomowego był pierwszym zaobserwowanym procesem słabym: w jądrze atomowym mającym dostateczną ilość energii neutronzamienia się w proton i uwolniony zostaje elektron i antyneutrino elektronowe. W wyniku tego rozpadu zmianie ulega liczba porządkowa jądra atomowego. Promieniowanie beta to nazwa nadana wysyłanym podczas rozpadu elektronom.
Wyjaśniliśmy już naturę promieniowania beta i gamma, a jak sprawa wygląda z promieniami alfa? Cząstką alfa jest jądro atomu helu, jeden z produktów rozszczepienia jądra atomowego. Rozszczepienie polega na podziale ciężkiego jądra atomowego na mnniejsze jądra; proces ten może wystąpić, gdy suma mas powstałych mniejszych jąder jest mniejsza od masy jądra wyjściowego. Jest to efekt szczątkowego oddziaływania silnego.
Model standardowy udziela odpowiedzi na wiele pytań dotyczących struktury i stabliności materii przy pomocy sześciu rodzajów kwarków, sześciu leptonów i czterech rodzajów siły.
Lecz Model standardowy pozostawia wiele pytań bez odpowiedzi: Dlaczego występują trzy rodzaje kwarków i leptonów o określonym ładunku? Czy jest jakaś prawidłowość określająca ich masy? Czy jest jeszcze więcej cząstek i sił, które mogą być odkryte w akceleratorach o większej energii? Czy kwarki i leptony są rzeczywiście elementarne, czy też może składają się one z bardziej elementarnych cząstek? Jak wkomponować w teorię oddziaływania grawitacyjne? Jakie cząstki tworzą ciemną materię wszechświata?
Pytania te i im podobne skłaniają fizyków jądrowych do budowy i zastosowania nowych akceleratorów, by zderzenia wysokoenergetycznych cząstek mogły dostarczyć wskazówek do rozwiązania jeszcze nie odkrytych tajemnic fizyki.