David Grossi, David Politzeri ja Frank Wilczeki saavutuseks, mille eest neile tänavu omistati NOBELI FÜÜSIKAPREEMIA, on asümptootilise vabaduse fenomeni avastamine.

Niipea kui 1964. aastal USA füüsikateoreetik Murray Gell-Mann esitas kvarkide hüpoteesi, mille järgi kõik hadronid – osakesed, mis vastastikmõjustuvad tugeva jõu kaudu, sealhulgas siis ka prootonid ja neutronid – koosnevad mingitest veel väiksematest osakestest, oli kohe ka selge, et kvarkide näol on tegemist millegi täiesti uuega aine senises koosnemishierarhias.

Esimene, mudeli matemaatilisest formuleeringust tulenev omapära oli kvarkide elektrilaengute murrulisus – kvarkide põhikolmiku laenguteks osutusid +2e/3,-e/3,-e/3 (e – elementaarlaeng). Füüsikaseadust, mis seda keelaks, muidugi ei olnud. Oli vaid füüsikute kindel usk, et Looduses murrulisi laenguid pole, sellest ka esialgne antipaatia kvarkide vastu.

Kvarkide teine oluline iseärasus seisnes selles, et keegi polnud kvarke kunagi näinud. Loomulik seletus – nad on hadronites väga tugevasti seotud. Senises koosnemishierarhias oli liitosakesi – molekule, aatomeid ja isegi aatomituumi õnnestunud “koost lahti võtta” ehk koostisosadeks lõhkuda. Arvati, et “pommitavate” osakeste küllalt suure energia korral hakkab ainest välja lendama ka kvarke. Energiad kasvasid, kvarke aga ei tulnud kusagilt. Tasapisi hakkas välja kujunema, esialgu küll alles hüpoteesina, kvarkvangistuse mõiste.

Kvargid põlu all

1968 korraldati Stanfordi ülikooli (USA) lineaarkiirendil Rutherfordi tüüpi elektronide-nukleonide põrkekatse, mis näitas elektronide kõrvalekaldumist nukleonide “punktikujulistelt” koostiselementidelt (Jerome Friedman, Richard Taylor, Henry Kendall; Nobeli füüsikapreemia 1990). Hilisemad katsed elektroni- ja neutriinokimpudega kinnitasid, et nendel koostiselementidel on kõik kvarkide omadused. Ja ometi, nagu meenutab äsjane Nobeli laureaat David Gross oma 1998 ilmunud ülevaates: “Suhtumine kvarkidesse kui millessegi fiktiivsesse kestis kuni 1973 ja kauemgi. … Nende omadusi võis “abstraheerida” vaid toetudes mingitele mudelitele, kuid peeti lubamatuks pidada neid millekski reaalseks. … [Steven] Weinberg [osakestefüüsika Standardmudeli üks loojatest, Nobeli füüsikapreemia 1979] kinnitas rõhutatult, et ta ei taha midagi kuulda kvarkidest. Ma tundsin end üsna vapustatuna”. Ja seda siis veel viis aastat pärast esimest kvarkide olemasolu kinnitavat eksperimenti!

Värvilised kvargid

Hilisematele edusammudele kvargiasjanduses pani aluse “värvikvantarvu” sissetoomine (1965), mille esmaseks põhjuseks oli kolme ühesuguse kvargi kooseksisteerimine ühes ja samas barüonis (W–-hüperonis), mida ei luba kvarkidele kui fermionidele rakenduv Pauli keeluprintsiip. Need kvargid tuli teha millegi poolest erinevateks ja selleks toodi nende jaoks sisse kolm erinevat värvi – punane, roheline ja sinine. Antikvarkide jaoks siis vastavad antivärvid. Hadronite koostiskvarkide värvid kombineeruvad nii, et vaadeldavad hadronid oleksid värvita ehk valged – selline oleks nüüd kvarkvangistuse uus sõnastus värvide keeles. Rõhutagem, et neil värvidel pole midagi tegemist värvidega tavalises, meile harjumuspärases mõttes.

See, mis esialgu võis tunduda mudeli kunstliku lappimisena, sai kvarkmudeli edasise triumfi aluseks. Värvikvantarvud said aluseks pidevale värvisümmeetriale, millest juba nüüdisaegse väljade kvantteooria üldise skeemi järgi tulenesid värvilaengud ja nendevahelised värvijõud. Sarnaselt elektromagnetilise vastastikmõju kvantteooria, kvantelektrodünaamikaga (KED), hakati värvilaengute vastastikmõju kvantteooriat nimetama kvantkromodünaamikaks (KKD). KED-s on vastastikmõju vahendaja ehk jõu ülekandja elektriliselt neutraalne footon, KKD-s on värvijõu ülekandjaiks gluuonid, mida on kokku kaheksa, kusjuures nad kannavad ka ise värvilaenguid. Tänu just viimasele asjaolule on kvarkidevahelised värvijõud hoopis teistsugused võrreldes jõududega elektrilaengute vahel – kvarkide eemaldumisel üksteisest jõud ei kahane, vaid jääb samaks või kasvab, piltlikult öeldes tõmbavad gluuonite endi värvilaengute värvijõujooned kokku peenikeseks niidiks. Ühe värvilise kvargi väljarebimiseks valgest hadronist läheks vaja lõpmata palju energiat, mis seletabki kvarkide vangistuse.

Nobelistide töö olulisem iva

Kvantkromodünaamika olulisemaks saavutuseks ongi asümptootilise vabaduse fenomeni avastamine David Grossi, David Politzeri ja Frank Wilczeki poolt. Mis toimub siis, kui kvargid on üksteisele küllalt lähedal, st hadroni sees? Siin hakkab eriti mõjukalt avalduma kvantteooria üks kõige iseloomulikumaid aspekte, vaakumi olemasolu ja selle polarisatsioon värvilaengute toimel. Osakesed kui niisugused pole midagi muud kui vaakumi ergastused, teisest küljest osakesed ise avaldavad mõju vaakumile virtuaalsete kvantide kiirgamise ja neelamise teel. Need virtuaalsed kvandid võivad omakorda muutuda (virtuaalseteks) osakeste ja antiosakeste paarideks. Nende nähtuste summaarseks tulemuseks on osakestevahelise vastastikmõju muutumine.

KKD-s viib see, tänu gluuonite värvilaengutele, lausa uskumatuna näiva efektini, värvijõu ärakadumiseni kvarkide lähenemisel üksteisele. Seetõttu hadronite sees on kvargid juba üsna vabad. Tänu sellele me kvarke Rutherfordi-tüüpi eksperimentides üldse näemegi. Asümptootiline vabadus teeb kvantkromodünaamikast hästi töötava teooria, mis lubab analüüsida kõrgetel energiatel toimuvaid kvarkide osalusega protsesse, näiteks elektronide-positronide annihilatsiooni.

Asümptootilise vabaduse avastamisega on osakestefüüsika astunud tubli sammu edasi kõigi vastastikmõjude ühendamise suurte unistuste teel.

JAAK LÕHMUS on füüsika-matemaatikadoktor.

LOE VEEL

J. Lõhmus, Jõud sümmeetriast ja I. Ots, Elementaarosakesed ja jõud nende vahel. Universumi mikromaailm, OÜ Reves Grupp, Tln 2003.

I. Ots, Kvargid – hadronite vangid. Samas.