Quark - da čestice? Saznajte što se sastoji od kvarkova. Što čestica manji od Quark?

Prije samo godinu dana Peter Higgs i François Engler dobili Nobelovu nagradu za svoj rad, koji je bio posvećen proučavanju subatomskih čestica. To se može činiti smiješnim, ali znanstvenici su napravili njihova otkrića prije pola stoljeća, ali do danas nisu dobili veliku važnost.

Godine 1964. također su došla još dva talentiranija fizičara sa svojom pionirskom teorijom. Isprva je privukla skoro nikakvu pozornost. Ovo je čudno, jer je opisao strukturu hadrona, bez kojih nije moguća jedna interatomska interakcija. To je bila teorija kvarkova.

Što je to?

Usput, što je kvark? Ovo je jedan od najvažnijih sastojaka hadrona. Važno! Ova čestica ima "pola" spin, u stvari je fermion. Ovisno o boji (o ovom dolje), trošak quark može biti jednak trećinu ili dvije trećine naboja protona. Što se tiče boja, postoji šest (generacija kvarkova). Oni su potrebni kako ne bi prekršeno načelo Paulija.

Osnovne informacije

U strukturi hadrona, te čestice su na udaljenosti koja ne prelazi graničnu vrijednost. To je jednostavno objašnjeno: oni razmjenjuju vektore mjerila polja, to jest, gluonima. Zašto je kvark toliko važan? Glonova plazma (zasićena kvarkama) je stanje materije u kojem je cijeli svemir bio smješten odmah nakon velikog praska. Prema tome, postojanje kvarkova i gluona izravna je potvrda činjenice da je doista bio.

Oni također imaju svoju vlastitu boju i stoga stvaraju virtualne kopije tijekom pokreta. Prema tome, kako se udaljenost između kvarkova povećava, sila interakcije među njima uvelike se povećava. Kao što možete pogoditi, uz minimalnu udaljenost, interakcija praktički nestaje (asimptotička sloboda).

Dakle, svaka snažna interakcija u hadronima objašnjena je prijelazom gluona između kvarkova. Ako govorimo o interakcijama između hadrona, oni su objašnjeni prijenosom pion rezonancije. Jednostavno rečeno, posredno, sve se opet smanjuje do razmjene gluona.

Koliko kvarkova su dio nukleona?

Svaki neutron se sastoji od par d-kvarkova, a također i jedan u-kvark. Svaki proton, s druge strane, sastoji se od jednog d quark-a i par-u-kvarkova. Usput, slova se postavljaju ovisno o kvantnim brojevima.

Objasni nam. Na primjer, beta raspad može se objasniti samo transformacijom jednog od istih kvarkova u nukleon u drugu. Da bi se to bolje razumjelo, u obliku formule ovaj se proces može zapisati ovako: d = u + w (to je propadanje neutrona). Sukladno tome, proton je napisan pomalo drugačijom formulom: u = d + w.

Usput, posljednji proces objašnjava stalan tok neutrina i pozitivnih skupina velikih zvijezda. Tako na ljestvici Univerzuma postoji nekoliko takvih važnih čestica kao što je kvark: gluon plazma, kao što smo već rekli, potvrđuje činjenicu velike eksplozije, a istraživanje tih čestica omogućava znanstvenicima da upoznaju samu suštinu svijeta u kojem živimo.

Što je manje od kvarkova?

Usput, što se sastoje kvarkovi? Njihova sastavnica su preoni. Ove čestice su vrlo male i slabo razumljive pa tako i danas nisu poznati. To je manje od kvarkova.

Odakle su došli?

Do danas, najčešće su dvije hipoteze za formiranje preons: teorija niza i Bilson-Thompson teorija. U prvom slučaju, pojava ovih čestica objašnjava se oscilacijom žica. Druga hipoteza sugerira da je njihov nastup uzrokovan uzbuđenim prostorom i vremenom.

Zanimljivo je da se u drugom slučaju fenomen može potpuno opisati pomoću matrice paralelnog prijevoza duž krivulja spin mreže. Svojstva ove same matrice i unaprijed odrediti one za preon. To se sastoji od kvarkova.

Sažimajući neke rezultate, možemo reći da su kvarkovi osebujni "kvant" u sastavu hadrona. Impresioniran? I sada ćemo razgovarati o tome kako je kvark uopće bio otkriven. Ovo je vrlo fascinantna priča koja, među ostalim, u potpunosti otkriva neke od nijansi opisanih gore.

Čudne čestice

Neposredno nakon završetka Drugog svjetskog rata, znanstvenici su počeli aktivno istraživati svijet subatomskih čestica koje su do tada izgledale primitivno primitivnim (prema tim idejama). Protoni, neutroni (nukleoni) i elektroni formirali su atom. Godine 1947. otkriveni su pioni (i predvidjeli njihovo postojanje još 1935.), koji su bili odgovorni za međusobno privlačenje nukleona u jezgri atoma. Ovaj događaj u svoje vrijeme bio je posvećen više od jedne znanstvene izložbe. Kvarkovi još nisu bili otvoreni, ali vrijeme napada na njihov "trag" se približavao.

Neutrini nisu otkriveni do tog vremena. Ali njihova očita važnost za objašnjenje beta raspadanja atoma bila je tako velika da znanstvenici nisu imali sumnje o njihovom postojanju. Osim toga, neke antičestice već su otkrivene ili predviđene. Samo situacija s muonima nastalim tijekom propadanja piona ostala je nejasna, a potom je prenesena u stanje neutrina, elektrona ili pozitivnog. Fizičari nisu razumjeli zašto je ta posrednička stanica uopće potrebna.

Jao, ali takav jednostavan i nepretenciozni model nije preživio trenutak otkrića piona. Godine 1947. dva su engleskog fizičara George Rochester i Clifford Butler objavili zanimljiv članak u znanstvenom časopisu Nature. Materijal za nju bio je proučavanje kozmičkih zraka pomoću oblaka u oblaku, tijekom kojeg su dobili znatiželjne informacije. Na jednoj od fotografija snimljenih tijekom promatranja, jasno je vidljiv par zapisa s zajedničkim početkom. Budući da je odstupanje slično latinskom V, odmah je postalo jasno - zaduženost ovih čestica definitivno je drugačija.

Znanstvenici su odmah pretpostavili da ove staze ukazuju na činjenicu raspadanja neke nepoznate čestice koja nije ostavila tragove. Izračuni su pokazali da je njegova masa oko 500 MeV, što je znatno veća od ove vrijednosti za elektron. Naravno, istraživači su svoje otkriće nazivali V-česticama. Ipak, još nije bio kvark. Ta je čestica još uvijek čekala svoj sat.

Sve je tek početak

Iz ovog otkrića sve je počelo. Godine 1949., pod istim uvjetima, otkriven je trag čestice, što je istodobno izazvalo tri piona. Uskoro se ispostavilo da su ona, kao i V-čestica, potpuno drugačiji predstavnici obitelji koja se sastoji od četiri čestice. Zatim su ih zvali K-mesoni (kaoni).

Par nabijenih kaona ima masu od 494 MeV, au slučaju neutralnog naboja, 498 MeV. Usput, 1947. godine, znanstvenici su imali dovoljno sreće da uhvate vrlo rijedak slučaj kolapsa pozitivnog kaona, ali u to vrijeme jednostavno nisu mogli ispravno tumačiti sliku. Međutim, da bi bio pravedan do kraja, zapravo je prvo promatranje kaona doneseno davne 1943. godine, no informacije o tome gotovo su izgubile na pozadini brojnih poslijeratnih znanstvenih publikacija.

Nove Weirdnesses

I dalje su znanstvenici čekali još više otkrića. Godine 1950. i 1951. istraživači sa sveučilišta u Manchesteru i Melbourneu mogli su pronaći čestice puno teže od protona i neutrona. Ponovno nije bilo naplaćivanje, ali je prekinuto u proton i božur. Ovo posljednje, kao što se može razumjeti, imalo je negativni naboj. Nova čestica označena je slovom Λ (lambda).

Što je više vremena prolazilo, više su pitanja imali znanstvenici. Problem je bio što se nove čestice pojavile isključivo u jakim atomskim interakcijama, brzo propadajući u poznate protone i neutrone. Osim toga, uvijek su se pojavili u parovima, nije bilo ikakvih ikakvih manifestacija. Zato je skupina fizičara iz SAD-a i Japana predložila upotrebu novog kvantnog broja u svom opisu - neobičnosti. Prema njihovoj definiciji, neobičnost svih ostalih poznatih čestica bila je jednaka nuli.

Daljnja istraživanja

Proboj u istraživanju dogodio se tek nakon pojave nove sistematizacije hadrona. Najistaknutiji lik u ovom je bio izraelski Yuval Neaman, koji je promijenio karijeru izvanrednog vojnog čovjeka na jednako briljantan put znanstvenika.

Skrenuo je pozornost na činjenicu da su tada otkriveni mesoni i barionti raspadali, stvarajući skupinu srodnih čestica, multipleta. Članovi svake takve udruge imaju točno istu neobičnost, ali suprotne električne optužbe. Budući da jako jake nuklearne interakcije s električnih naboja uopće ne ovise, u svim ostalim, čestice iz multipleta izgledaju kao savršeni blizanci.

Znanstvenici sugeriraju da je neka vrsta prirodne simetrije odgovorna za pojavu takvih formacija, i uskoro ih je uspjela pronaći. Ispalo je da je jednostavna generalizacija spin grupe SU (2), koju su znanstvenici diljem svijeta opisivali kvantne brojeve. Tek su tada bili poznati 23 hadrona, s njihovim okretajima jednakima 0, 1/2 ili cijeloj jedinici, pa stoga nije bilo moguće koristiti takvu klasifikaciju.

Kao rezultat toga morali smo koristiti dva kvantna broja za klasifikaciju, što je znatno povećalo klasifikaciju. Tako je bilo i skupina SU (3), koju je početkom stoljeća stvorio francuski matematičar Eli Cartan. Da bi se utvrdio sustavni položaj svake čestice u njemu, znanstvenici su razvili istraživački program. Quark je kasnije lako ušao u sustavnu seriju, što je potvrdilo apsolutnu točnost stručnjaka.

Novi kvantni brojevi

Znanstvenici su pristupili ideji korištenja apstraktnih kvantnih brojeva, koji su postali hiperprodukt i izotopni spin. Međutim, s istim uspjehom možete uzeti neobičnost i električni naboj. Ova je shema uvjetno nazvana osamostruki put. Ovo je analogija s budizmom, gdje, prije nego što dođete u nirvanu, morate ići kroz osam razina. Međutim, sve ovo je tekst.

Neemann i njegov kolega Gell-Mann objavljuju svoja djela 1961. godine, a broj poznatih mezona nije prelazio sedam. No, u svom radu istraživači nisu oklijevali spomenuti visoku vjerojatnost postojanja osmog mesona. U istom 1961. godini njihova se teorija briljantno potvrđuje. Pronađena čestica zvala se ovaj mezon (grčko slovo η).

Daljnji nalazi i eksperimenti sjajnosti potvrdili su apsolutnu točnost SU (3) klasifikacije. Ta je okolnost postala snažan poticaj istraživačima koji su otkrili da su na dobrom putu. Čak ni Gell-Mann nije sumnjao da su kvarkovi postojali u prirodi. Recenzije njegove teorije nisu bile vrlo pozitivne, ali znanstvenik je bio uvjeren u njegovu ispravnost.

Ovdje su kvarkovi!

Uskoro je objavljen članak "Shematski model bionona i mezona". U njemu su znanstvenici mogli dalje razvijati ideju sistematizacije, što se pokazalo korisnim. Otkrili su da SU (3) potpuno priznaje postojanje cijelih tripleta fermiona čiji električni naboj varira od 2/3 do 1/3 i -1/3, a u tripletu jedna čestica se uvijek razlikuje od ne-nulte stranosti. Već dobro poznato nama, Gell-Mann ih je nazvao "elementarnim česticama kvarkova".

Prema optužbama, on ih je odredio kao u, d i s (od engleskih riječi gore, dolje i čudno). U skladu s novom shemom, svaki barion se sastoji od tri kvarkova odjednom. Mesoni su mnogo jednostavniji. One uključuju jedan kvark (ovo pravilo je nepokolebljivo) i antiquark. Tek tada znanstvena zajednica postaje svjesna postojanja tih čestica, na koje je naš članak posvećen.

Malo više pozadine

Ovaj članak, koji u velikoj mjeri predodređuje razvoj fizike za godinama koje slijede, ima prilično neobičnu pozadinu. Gell-Mann je razmišljao o postojanju takvih trojki mnogo prije objavljivanja, ali s njim nije razgovarao o svojim pretpostavkama. Činjenica je da su njegove pretpostavke o postojanju čestica koje imaju frakcijsku naboj izgledale kao besmislice. Međutim, nakon razgovora s izvanrednim teorijskim fizičarom Robertom Serberom, doznao je da je njegov kolega napravio iste zaključke.

Osim toga, znanstvenik je napravio jedini ispravni zaključak: postojanje takvih čestica je moguće samo ako nisu slobodni fermioni, već su dio hadrona. Uostalom, u ovom slučaju njihova je optužba jedinstvena cjelina! U početku ih je Gell-Mann nazvao čarobnjacima i čak ih je spomenuo u MTI-u, ali reakcija učenika i nastavnika bila je vrlo niska. Znanstvenik je dugo vremena razmišljao o tome treba li svoje istraživanje provesti na javnom sudu.

Upravo riječ "kvark" (ovaj zvuk nalik na plač pataka) preuzet je iz djela Jamesa Joycea. Čudno kako se čini, američki je znanstvenik poslao članak prestižnom europskom znanstvenom časopisu Physics Letters, jer se ozbiljno bojao da uredništvo slične američke publikacije, Physical Review Letters, ne bi to prihvatilo za objavljivanje. Usput, ako želite pogledati barem kopiju tog članka - imate izravan put do istog muzeja u Berlinu. Kvarkovi u svom izlaganju nisu dostupni, ali puna povijest njihovog otkrića (točnije, dokumentarni dokaz) jest.

Početak revolucije kvarkova

Radi pravde valja istaknuti da je gotovo istodobno slična misao dosegnula znanstvenik iz CERN-a, George Zweig. U početku je mentor bio sam Gell-Mann, a potom Richard Feynman. Zweig je također odredio stvarnost postojanja fermiona, koji su imali frakcijske naboje, nazvali ih samo asima. Štoviše, talentirani fizičar također smatrao bariononima kao triplet kvarkova i mezona - kao kombinacija kvarkova i antiquarkova.

Jednostavno rečeno, učenik je u potpunosti ponovio zaključke svog učitelja, potpuno odvojen od njega. Njegov se rad pojavio čak nekoliko tjedana prije objavljivanja Manna, ali samo kao "priprema za dom" instituta. Međutim, bila je prisutnost dvaju nezavisnih radova, zaključci na kojima su bili gotovo identični, odmah uvjereni neki znanstvenici vjernosti predložene teorije.

Od odbijanja do povjerenja

No mnogi su istraživači prihvatili tu teoriju daleko od toga. Da, novinari i teoretičari ubrzo su se zaljubili u nju zbog njezine vidljivosti i jednostavnosti, ali ozbiljni fizičari to su prihvatili tek nakon 12 godina. Nemojte ih kriviti za pretjeranu konzervativnost. Stvar je u početku da je teorija kvarkova u oštroj suprotnosti s Paulijevim principom, koji smo spomenuli na samom početku članka. Ako pretpostavimo da proton sadrži par u kvarkova i jedan d-kvark, onda prva mora biti strogo u istom kvantnom stanju. Prema Pauliju, to je nemoguće.

Tada je pojavio dodatni kvantni broj, izražen u obliku boje (što smo također spomenuli gore). Osim toga, bilo je potpuno nerazumljivo kako općenito elementarne čestice quark djeluju međusobno, zbog čega se njihove slobodne vrste ne pojavljuju. Sve ove tajne pomogle su razotkriti teoriju mjerila polja, koja je "donijela na pamet" samo sredinom 1970-ih. Otprilike u isto vrijeme, teorija o quarku hadrona bila je organski ugrađena u nju.

No, najsnažnije suzdržan razvoj teorije je potpuno odsutnost barem nekih eksperimentalnih eksperimenata koji bi potvrdili i sam život i interakciju kvarkova jedni s drugima i drugim česticama. A postupno su se počeli pojavljivati tek od kasnih 60-ih, kada je brz razvoj tehnologije dopustio provesti eksperiment s protonskim protokom "prosvetivaniyu". Upravo su ti eksperimenti omogućili da dokaže da su neke čestice, koje su izvorno nazvane partonima, zapravo "skrivene" unutar protona. Nakon toga, međutim, bili smo uvjereni da to nije ništa drugo nego pravi kvark, ali to se nije dogodilo sve do kraja 1972. godine.

Eksperimentalna potvrda

Naravno, za konačnih uvjerenja znanstvena zajednica je trebalo mnogo više eksperimentalne podatke. Godine 1964. James Bjorken i Sheldon Glashow (budući nobelovac, usput) su predložili, iako postoji svibanj biti četvrti kvarkova vrsta, koje su nazvali Charmed (Charmed).

To je zahvaljujući toj hipotezi, znanstvenici u 1970. bili u stanju objasniti mnoge oddities koje su zapažene u propadanju neutralnih kaons terete. Nakon četiri godine, samo dva neovisna skupina američkih fizičara bili u stanju popraviti Meson propadanje, koji je uključivao samo jedan „Charmed” kvark i njegovu antiquark. Nije ni čudo da je ovaj događaj jednom prozvan studenog revolucije. Po prvi put je teorija kvark je više ili manje „vizualni” potvrdu.

Važnost otvaranjem spomenutog barem činjenica da je projekt menadžer, Samuel Ting i Burton Richter, dvije godine kasnije dobio Nobelovu nagradu: Događaj se ogleda u mnogim članaka. S nekim od njih možete pronaći u originalu, ako posjetite New York muzej prirodne povijesti. Kvarkovi, a kao što smo već rekli - vrlo važno otkriće modernog vremena, a time i pozornost u znanstvena zajednica im isplaćuju jako puno.

ultima ratio

Samo u 1976., istraživači su pronašle jednu česticu s ne-nula šarm, neutralni D-Meson. Ovo je prilično složena kombinacija charmed kvark i u-antiquark. Ovdje čak i okorjeli neprijatelji postojanje kvarkova su bili prisiljeni priznati istinu od teorija, prvi put opisana više od dva desetljeća. Jedan od najpoznatijih teorijskih fizičara, Dzhon Ellis, pod nazivom šarm „poluge koji je promijenio svijet.”

Uskoro popis novih otkrića došao i nekoliko vrlo masivnih kvarkova, vrha i dna, koji su lako mogli povezati s već usvojen u trenutku naručivanja u SU (3). U posljednjih nekoliko godina, znanstvenici kažu da su tzv Tetraquarks da su neki znanstvenici nazvali „hadronski molekula”.

Neki od nalaza i zaključaka

Treba razumjeti da je otvaranje i znanstveno opravdanje za postojanje kvarkova, u stvari, možete sigurno pretpostaviti da znanstvena revolucija. To se može smatrati početkom 1947. godine (u stvari 1943.), a kraj njega padne na prvom otkrivanju „šarmantnih” mezoni. Ispostavilo se da je trajanje zadnjeg dana otvaranja takvog razini, ni manje ni više, čak 29 godina (ili čak 32 godina)! I sve to vrijeme proveo ne samo radi pronalaženja kvark! Gluon plazma kao primarni cilj u svemir ubrzo privukao mnogo pozornosti na znanstvenike.

Međutim, složeniji postaje polje istraživanja, više je potrebno za obavljanje zaista važna otkrića. I kao što smo raspravljali čestice, važnost ovog otkrića ne može podcjenjivati nikoga. Proučavanje strukture kvarkova, osoba će biti u stanju prodrijeti dublje u tajne svemira. Moguće je da je tek nakon što završe studij možemo naučiti kako je veliki prasak i svemir razvija se u skladu s onim što zakoni. U svakom slučaju, moguće je da ih otvori uvjeriti mnoge fizičare da je stvarnost oko nas je puno teže prošlosti predstave.

Pa znaš što je kvark. Ova čestica u vrijeme izazvao je senzaciju u znanstvenom svijetu, a danas znanstvenici nadaju konačno otkriti sve njegove tajne.