For bare et år siden mottok Peter Higgs og François Engler Nobelprisen for sitt arbeid med subatomære partikler. Det kan virke latterlig, men forskerne gjorde sine oppdagelser for et halvt århundre siden, men til nå har de ikke fått noen stor betydning.
I 1964 kom også to talentfulle fysikere frem med sin innovative teori. Til å begynne med vakte hun heller nesten ingen oppmerksomhet. Dette er merkelig, siden hun beskrev strukturen til hadroner, uten hvilke ingen sterk interatomisk interaksjon er mulig. Det var kvarkteorien.
Hva er dette?
Forresten, hva er en kvark? Dette er en av de viktigste komponentene i hadronen. Viktig! Denne partikkelen har et "halvt" spinn, og er faktisk en fermion. Avhengig av fargen (mer om det nedenfor), kan ladningen til en kvark være lik en tredjedel eller to tredjedeler av den til et proton. Når det gjelder farger, er det seks av dem (generasjoner av kvarker). De trengs for at Pauli-prinsippet ikke skal brytes.
Basicdetaljer
I sammensetningen av hadroner er disse partiklene plassert i en avstand som ikke overstiger inneslutningsverdien. Dette forklares enkelt: de utveksler vektorer av målefeltet, det vil si gluoner. Hvorfor er kvarken så viktig? Gluonplasma (mettet med kvarker) er materietilstanden der hele universet befant seg umiddelbart etter big bang. Følgelig er eksistensen av kvarker og gluoner en direkte bekreftelse på at han virkelig var det.
De har også sin egen farge, og derfor lager de sine virtuelle kopier under bevegelsen. Følgelig, ettersom avstanden mellom kvarkene øker, øker kraften i samspillet mellom dem betydelig. Som du kanskje gjetter, på minimumsavstand, forsvinner interaksjonen praktisk t alt (asymptotisk frihet).
Dermed forklares enhver sterk interaksjon i hadroner av overgangen til gluoner mellom kvarker. Hvis vi snakker om interaksjoner mellom hadroner, blir de forklart av overføringen av pi-mesonresonans. Enkelt sagt, indirekte, handler alt igjen om utveksling av gluoner.
Hvor mange kvarker er det i nukleoner?
Hvert nøytron består av et par d-kvarker, og til og med en enkelt u-kvark. Hvert proton, tvert imot, består av en enkelt d-kvark og et par u-kvarker. Bokstaver tildeles forresten avhengig av kvantetall.
La oss forklare. For eksempel forklares beta-forfall nøyaktig ved transformasjonen av en av samme type kvarker i sammensetningen av nukleonet til en annen. For å gjøre det klarere kan denne prosessen skrives som en formel slik: d=u + w (dette er nøytronforfall). Henholdsvisproton er skrevet med en litt annen formel: u=d + w.
Det er forresten sistnevnte prosess som forklarer den konstante strømmen av nøytrinoer og positroner fra store stjernehoper. Så på universets skala er det få partikler som er så viktige som kvarken: gluonplasma, som vi allerede har sagt, bekrefter faktumet om big bang, og studier av disse partiklene lar forskere bedre forstå selve essensen av verden vi lever i.
Hva er mindre enn en kvark?
Forresten, hva består kvarker av? Deres bestanddeler er preoner. Disse partiklene er svært små og dårlig forstått, slik at selv i dag ikke mye er kjent om dem. Det er det som er mindre enn en kvark.
Hvor kom de fra?
Til dags dato er de to vanligste hypotesene om dannelsen av preoner: strengteori og Bilson-Thompson-teori. I det første tilfellet er utseendet til disse partiklene forklart av strengoscillasjoner. Den andre hypotesen antyder at deres utseende er forårsaket av en opphisset tilstand av rom og tid.
Interessant nok, i det andre tilfellet kan fenomenet beskrives fullstendig ved å bruke matrisen for parallell overføring langs kurvene til spinnnettverket. Egenskapene til denne matrisen forhåndsbestemmer de for preonet. Det er dette kvarker er laget av.
Opsummering av noen resultater kan vi si at kvarker er en slags "kvanter" i sammensetningen av hadroner. imponert? Og nå skal vi snakke om hvordan kvarken ble oppdaget generelt. Dette er en veldig interessant historie, som i tillegg til fulle avslører noen av nyansene beskrevet ovenfor.
Merkelige partikler
Umiddelbart etter slutten av andre verdenskrig begynte forskere aktivt å utforske verden av subatomære partikler, som inntil da så primitivt enkel ut (i henhold til disse ideene). Protoner, nøytroner (nukleoner) og elektroner danner et atom. I 1947 ble pioner oppdaget (og deres eksistens ble spådd tilbake i 1935), som var ansvarlige for den gjensidige tiltrekningen av nukleoner i atomkjernen. Mer enn én vitenskapelig utstilling ble viet til denne begivenheten på en gang. Quarks var ennå ikke oppdaget, men øyeblikket for angrep på "sporet" deres nærmet seg.
Neutrinoer var ennå ikke oppdaget på det tidspunktet. Men deres tilsynelatende betydning for å forklare atomenes beta-forfall var så stor at forskerne hadde liten tvil om deres eksistens. I tillegg har noen antipartikler allerede blitt oppdaget eller forutsagt. Det eneste som forble uklart var situasjonen med myoner, som ble dannet under forfallet av pioner og deretter gikk over i tilstanden til et nøytrino, elektron eller positron. Fysikere forsto ikke i det hele tatt hva denne mellomstasjonen var for noe.
Akk, en så enkel og upretensiøs modell overlevde ikke øyeblikket da peoner ble oppdaget lenge. I 1947 publiserte to engelske fysikere, George Rochester og Clifford Butler, en interessant artikkel i det vitenskapelige tidsskriftet Nature. Materialet for det var deres studie av kosmiske stråler ved hjelp av et skykammer, der de fikk nysgjerrig informasjon. På et av fotografiene som ble tatt under observasjonen var et par spor med felles begynnelse godt synlig. Siden avviket lignet den latinske V, ble det umiddelbart klart– ladningen til disse partiklene er definitivt annerledes.
Forskere antok umiddelbart at disse sporene indikerer forfallet til en ukjent partikkel, som ikke etterlot andre spor. Beregninger har vist at massen er omtrent 500 MeV, som er mye større enn denne verdien for et elektron. Selvfølgelig k alte forskerne oppdagelsen deres for V-partikkelen. Imidlertid var det ennå ikke en kvark. Denne partikkelen ventet fortsatt i vingene.
Det er bare å komme i gang
Det hele startet med denne oppdagelsen. I 1949, under de samme forholdene, ble det oppdaget et spor av en partikkel, som ga opphav til tre pioner på en gang. Det ble snart klart at hun, så vel som V-partikkelen, er helt andre representanter for en familie bestående av fire partikler. Deretter ble de k alt K-mesons (kaoner).
Et par ladede kaoner har en masse på 494 MeV, og i tilfelle en nøytral ladning - 498 MeV. Forresten, i 1947 var forskere heldige nok til å fange akkurat det samme svært sjeldne tilfellet av forfallet til en positiv kaon, men på den tiden kunne de rett og slett ikke tolke bildet riktig. For å være helt rettferdig, faktisk, ble den første observasjonen av kaon gjort tilbake i 1943, men informasjon om dette gikk nesten tapt på bakgrunn av en rekke vitenskapelige publikasjoner etter krigen.
New weirdness
Og så ventet flere funn på forskere. I 1950 og 1951 klarte forskere fra University of Manchester og Melnburg å finne partikler mye tyngre enn protoner og nøytroner. Den hadde igjen ingen ladning, men forf alt til et proton og en pion. Sistnevnte, som man kan forstå,negativ ladning. Den nye partikkelen fikk navnet Λ (lambda).
Jo mer tid som gikk, jo flere spørsmål hadde forskerne. Problemet var at nye partikler oppsto utelukkende fra sterke atomære interaksjoner, som raskt forf alt til de kjente protonene og nøytronene. I tillegg dukket de alltid opp i par, det var aldri enkeltmanifestasjoner. Det er derfor en gruppe fysikere fra USA og Japan foreslo å bruke et nytt kvantenummer – merkelighet – i beskrivelsen. I henhold til deres definisjon var merkeligheten til alle andre kjente partikler null.
Ytterligere undersøkelser
Gjennombruddet innen forskning skjedde først etter fremveksten av en ny systematisering av hadroner. Den mest fremtredende skikkelsen i dette var israeleren Yuval Neaman, som endret karrieren til en fremragende militærmann til en like briljant vei som en vitenskapsmann.
Han la merke til at mesonene og baryonene som ble oppdaget på den tiden, forfaller og danner en klynge av relaterte partikler, multipletter. Medlemmene i hver slik forening har nøyaktig samme merkelighet, men motsatte elektriske ladninger. Siden virkelig sterke kjernefysiske interaksjoner ikke i det hele tatt er avhengige av elektriske ladninger, ser i alle andre henseender partiklene fra multipletten ut som perfekte tvillinger.
Forskere antydet at noe naturlig symmetri er ansvarlig for utseendet til slike formasjoner, og snart klarte de å finne den. Det viste seg å være en enkel generalisering av SU(2)-spinngruppen, som forskere over hele verden brukte for å beskrive kvantetall. Herbare på den tiden var 23 hadroner allerede kjent, og spinnene deres var lik 0, ½ eller en heltallsenhet, og derfor var det ikke mulig å bruke en slik klassifisering.
Som et resultat måtte to kvantetall brukes for klassifisering på en gang, på grunn av dette ble klassifiseringen betydelig utvidet. Slik oppsto gruppen SU(3), som ble opprettet på begynnelsen av århundret av den franske matematikeren Elie Cartan. For å bestemme den systematiske posisjonen til hver partikkel i den, har forskere utviklet et forskningsprogram. Kvark kom deretter lett inn i den systematiske serien, som bekreftet ekspertenes absolutte korrekthet.
Nye kvantetall
Så forskere kom på ideen om å bruke abstrakte kvantetall, som ble hyperladning og isotopisk spinn. Men merkelighet og elektrisk ladning kan tas med samme suksess. Denne ordningen ble konvensjonelt k alt den åttedelte veien. Dette fanger analogien med buddhismen, der før du når nirvana, må du også gå gjennom åtte nivåer. Men alt dette er tekster.
Neeman og hans kollega, Gell-Mann, publiserte arbeidet sitt i 1961, og antallet kjente mesoner oversteg ikke syv. Men i sitt arbeid var forskerne ikke redde for å nevne den høye sannsynligheten for eksistensen av den åttende mesonen. I samme 1961 ble teorien deres strålende bekreftet. Den funnet partikkelen ble k alt eta meson (gresk bokstav η).
Ytterligere funn og eksperimenter med lysstyrke bekreftet den absolutte riktigheten av SU(3)-klassifiseringen. Denne omstendigheten har blitt kraftiget insentiv for forskere som har funnet ut at de er på rett vei. Til og med Gell-Mann selv tvilte ikke lenger på at kvarker finnes i naturen. Anmeldelser om teorien hans var ikke for positive, men forskeren var sikker på at han hadde rett.
Her er kvarkene
Snart ble artikkelen "Skjematisk modell av baryoner og mesoner" publisert. I den var forskere i stand til å videreutvikle ideen om systematisering, som viste seg å være så nyttig. De fant at SU(3) ganske tillater eksistensen av hele tripletter av fermioner, hvis elektriske ladning varierer fra 2/3 til 1/3 og -1/3, og i tripletten har en partikkel alltid en merkelighet som ikke er null. Gell-Mann, som allerede er kjent for oss, k alte dem «elementærpartikler av kvark».
I følge anklagene utpekte han dem som u, d og s (fra de engelske ordene opp, ned og merkelig). I samsvar med den nye ordningen er hver baryon dannet av tre kvarker på en gang. Mesoner er mye enklere. De inkluderer en kvark (denne regelen er urokkelig) og en antikvark. Først etter det ble det vitenskapelige miljøet klar over eksistensen av disse partiklene, som artikkelen vår er viet.
Litt mer bakgrunn
Denne artikkelen, som i stor grad forutbestemte fysikkens utvikling i årene som kommer, har en ganske nysgjerrig bakgrunn. Gell-Mann tenkte på eksistensen av denne typen trillinger lenge før den ble publisert, men diskuterte ikke antakelsene hans med noen. Faktum er at antakelsene hans om eksistensen av partikler med brøkladning så ut som tull. Etter å ha snakket med den eminente teoretiske fysikeren Robert Serber, fikk han imidlertid vite at hans kollegakom med nøyaktig de samme konklusjonene.
Dessuten kom forskeren med den eneste riktige konklusjonen: eksistensen av slike partikler er bare mulig hvis de ikke er frie fermioner, men er en del av hadroner. Faktisk, i dette tilfellet utgjør anklagene deres en helhet! Til å begynne med k alte Gell-Mann dem kvarker og nevnte dem til og med på MTI, men reaksjonen til elever og lærere var svært behersket. Derfor tenkte forskeren veldig lenge på om han skulle sende forskningen sin til offentligheten.
Selve ordet "quark" (en lyd som minner om andeskrik) ble hentet fra arbeidet til James Joyce. Merkelig nok, men den amerikanske vitenskapsmannen sendte artikkelen sin til det prestisjetunge europeiske vitenskapelige tidsskriftet Physics Letters, da han alvorlig fryktet at redaktørene av den amerikanske utgaven av Physical Review Letters, tilsvarende nivåmessig, ikke ville akseptere den for publisering. Forresten, hvis du vil se i det minste på en kopi av den artikkelen, har du en direkte vei til det samme Berlin-museet. Det er ingen kvarker i utstillingen hans, men det er en fullstendig historie om oppdagelsen deres (mer presist, dokumentariske bevis).
Starten av kvarkrevolusjonen
For å være rettferdig, bør det bemerkes at nesten samtidig kom en forsker fra CERN, George Zweig, til en lignende idé. Først var Gell-Mann selv hans mentor, og deretter Richard Feynman. Zweig bestemte også virkeligheten av eksistensen av fermioner som hadde brøkladninger, bare k alte dem ess. Dessuten betraktet den talentfulle fysikeren også baryoner som en trio av kvarker, og mesoner som en kombinasjon av kvarker.og antikvark.
Enkelt sagt, eleven gjentok konklusjonene til læreren sin fullstendig, og helt adskilt fra ham. Arbeidet hans dukket opp enda et par uker før Manns utgivelse, men bare som et "hjemmelaget" verk av instituttet. Imidlertid var det tilstedeværelsen av to uavhengige verk, hvis konklusjoner var nesten identiske, som umiddelbart overbeviste noen forskere om riktigheten av den foreslåtte teorien.
Fra avvisning til tillit
Men mange forskere godtok denne teorien langt fra umiddelbart. Ja, journalister og teoretikere ble raskt forelsket i den for dens klarhet og enkelhet, men seriøse fysikere aksepterte den først etter 12 år. Ikke klandre dem for å være for konservative. Faktum er at teorien om kvarker i utgangspunktet motsier Pauli-prinsippet, som vi nevnte helt i begynnelsen av artikkelen. Hvis vi antar at et proton inneholder et par u-kvarker og en enkelt d-kvark, så må førstnevnte være strengt tatt i samme kvantetilstand. Ifølge Pauli er dette umulig.
Det var da et ekstra kvantenummer dukket opp, uttrykt som en farge (som vi også nevnte ovenfor). I tillegg var det helt uforståelig hvordan elementære partikler av kvarker generelt sett samhandler med hverandre, hvorfor deres frie varianter ikke oppstår. Alle disse hemmelighetene ble i stor grad hjulpet til å avdekke av Theory of Gauge Fields, som ble "hentet til tankene" først på midten av 70-tallet. Omtrent på samme tid ble kvarkteorien om hadroner organisk inkludert i den.
Men mest av alt ble utviklingen av teorien holdt tilbake av det fullstendige fraværet av i det minste noen eksperimentelle eksperimenter,som ville bekrefte både selve eksistensen og samspillet mellom kvarker med hverandre og med andre partikler. Og de begynte gradvis å dukke opp først fra slutten av 60-tallet, da den raske utviklingen av teknologi gjorde det mulig å gjennomføre et eksperiment med "overføring" av protoner med elektronstrømmer. Det var disse eksperimentene som gjorde det mulig å bevise at noen partikler virkelig "gjemt" seg inne i protonene, som opprinnelig ble k alt partoner. Senere var de likevel overbevist om at dette ikke var noe mer enn en ekte kvark, men dette skjedde først på slutten av 1972.
Eksperimentell bekreftelse
Selvfølgelig var det nødvendig med mye mer eksperimentelle data for å endelig overbevise det vitenskapelige miljøet. I 1964 foreslo James Bjorken og Sheldon Glashow (den fremtidige nobelprisvinneren, forresten) at det kanskje også finnes en fjerde type kvark, som de k alte sjarmert.
Det var takket være denne hypotesen at forskere allerede i 1970 klarte å forklare mange av raritetene som ble observert under forfallet til nøytr alt ladede kaoner. Fire år senere klarte to uavhengige grupper av amerikanske fysikere på en gang å fikse forfallet til mesonen, som inkluderte bare en "sjarmert" kvark, så vel som antikvarken. Ikke overraskende ble denne hendelsen umiddelbart k alt novemberrevolusjonen. For første gang fikk teorien om kvarker mer eller mindre "visuell" bekreftelse.
Betydningen av funnet bevises av det faktum at prosjektlederne, Samuel Ting og Barton Richter, allerede er gjennomtok imot Nobelprisen i to år: denne hendelsen gjenspeiles i mange artikler. Du kan se noen av dem i originalen hvis du besøker New York Museum of Natural Science. Quarks, som vi allerede har sagt, er en ekstremt viktig oppdagelse i vår tid, og derfor vies mye oppmerksomhet til dem i det vitenskapelige miljøet.
Siste argument
Det var ikke før i 1976 at forskerne fant én partikkel med sjarm som ikke er null, den nøytrale D-mesonen. Dette er en ganske kompleks kombinasjon av en sjarmert kvark og en u-antikvark. Her ble selv forherdede motstandere av eksistensen av kvarker tvunget til å innrømme riktigheten av teorien, først utt alt for mer enn to tiår siden. En av de mest kjente teoretiske fysikerne, John Ellis, k alte sjarmen «spaken som snudde verden».
Snart inkluderte listen over nye funn et par spesielt massive kvarker, topp og bunn, som lett kunne korreleres med SU(3)-systematiseringen som allerede var akseptert på den tiden. De siste årene har forskere snakket om eksistensen av såk alte tetraquarks, som noen forskere allerede har k alt "hadron-molekyler."
Noen konklusjoner og konklusjoner
Du må forstå at oppdagelsen og den vitenskapelige begrunnelsen for eksistensen av kvarker virkelig trygt kan betraktes som en vitenskapelig revolusjon. Det kan betraktes som året 1947 (i prinsippet 1943) som begynnelsen, og slutten faller på oppdagelsen av den første "fortryllede" mesonen. Det viser seg at varigheten av den siste oppdagelsen av dette nivået til dags dato er, ikke mindre, så mye som 29 år (eller til og med 32 år)! Og alt dettetid ble brukt ikke bare for å finne kvarken! Som det opprinnelige objektet i universet tiltrakk gluonplasma snart mye mer oppmerksomhet fra forskere.
Men, jo mer kompleks studieområdet blir, jo mer tid tar det å gjøre virkelig viktige funn. Når det gjelder partiklene vi diskuterer, kan ingen undervurdere viktigheten av en slik oppdagelse. Ved å studere strukturen til kvarker, vil en person kunne trenge dypere inn i universets hemmeligheter. Det er mulig at vi først etter en fullstendig studie av dem vil kunne finne ut hvordan big bang skjedde og i henhold til hvilke lover universet vårt utvikler seg. Uansett var det oppdagelsen deres som gjorde det mulig å overbevise mange fysikere om at virkeligheten rundt oss er mye mer komplisert enn tidligere ideer.
Så du har lært hva en kvark er. Denne partikkelen skapte en gang mye støy i den vitenskapelige verden, og i dag er forskere fulle av håp om å endelig avsløre alle dens hemmeligheter.
