Quark - je to, že častice? Zistite si, čo sa skladá z kvarkov. Čo sa častice menšie ako kvark?

Len pred rokom dostali Peter Higgs a François Engler Nobelovu cenu za svoju prácu, ktorá bola venovaná štúdiu subatomických častíc. To sa môže zdať absurdné, ale vedci robili svoje objavy pred polstoročím, ale dodnes sa im nedá dostatočne veľký význam.

V roku 1964 prišli aj ďalší talentovaní fyzici so svojou priekopníckou teóriou. Spočiatku priťahovala takmer žiadnu pozornosť. Je to zvláštne, pretože opisuje štruktúru hadrónov, bez ktorých nie je možná žiadna interatómová interakcia. Toto bola teória kvarkov.

Čo je to?

Mimochodom, čo je kvarku? Toto je jedna z najdôležitejších zložiek hadronu. Dôležité! Táto častica má "polovičný" spin, v skutočnosti je fermion. V závislosti od farby (nižšie) sa kvarková záťaž môže rovnať jednej tretine alebo dvom tretinám zaťaženia protónu. Pokiaľ ide o farby, existuje šesť (generácia kvarkov). Sú potrebné preto, aby nebol porušený princíp Pauliho.

Základné informácie

V štruktúre hadrónov sú tieto častice vo vzdialenosti nepresahujúcej hraničnú hodnotu. To sa vysvetľuje jednoducho: vymieňajú sa vektory oblasti meradla, to znamená gluóny. Prečo je kvark taký dôležitý? Gluónová plazma (nasýtená kvarkami) je stav hmoty, v ktorej bol celý vesmír umiestnený bezprostredne po veľkom tresku. Preto existencia kvarkov a gluónov je priamym potvrdením skutočnosti, že to bolo naozaj.

Majú tiež svoju vlastnú farbu a preto vytvárajú virtuálne kópie počas pohybu. Vzhľadom na to, že vzdialenosť medzi kvarkami rastie, interakčná sila medzi nimi sa značne zvyšuje. Ako môžete odhadnúť, s minimálnou vzdialenosťou, interakcia prakticky zmizne (asymptotická sloboda).

Takže každá silná interakcia v hadrnoch je vysvetlená prechodom gluónov medzi kvarkami. Ak hovoríme o vzájomných interakciách medzi hadrónmi, vysvetľujú ich prenos rezonancie pionu. Jednoducho povedané, nepriamo všetko znova znižuje výmenu gluónov.

Koľko kvarkov je súčasťou nukleónov?

Každý neutron pozostáva z dvojice d-kvarkov a tiež jedného u-kvarku. Každý protón je na druhej strane tvorený jedným darkom a dvojicou u-kvarkov. Mimochodom, písmená sú umiestnené v závislosti od kvantových čísel.

Vysvetli to. Napríklad rozklad beta možno vysvetliť len transformáciou jedného z tých istých kvarkov v nukleóne na iný. Pre lepšie pochopenie, vo forme vzorca môže byť tento proces napísaný takto: d = u + w (to je neutronový rozklad). Preto je protón napísaný mierne odlišným vzorcom: u = d + w.

Mimochodom, posledný proces vysvetľuje konštantný tok neutrín a pozitrónov z veľkých hviezdnych zhlukov. Takže na stupnici vesmíru je niekoľko takých dôležitých častíc, ako je kvark: gluónová plazma, ako sme už povedali, potvrdzuje skutočnosť veľkého výbuchu a výskum týchto častíc umožňuje vedcom spoznať podstatu sveta, v ktorom žijeme.

Čo je menej ako kvark?

Mimochodom, z čoho pozostávajú kvarky? Ich zložkou sú preoni. Tieto častice sú veľmi malé a zle pochopiteľné, takže aj dnes nie sú veľmi známe. To je menej ako kvark.

Odkiaľ pochádzali?

K dnešnému dňu sú najčastejšie dve hypotézy pre tvorbu preónov: teória strún a teória Bilson-Thompson. V prvom prípade je výskyt týchto častíc vysvetlený osciláciou reťazcov. Druhá hypotéza naznačuje, že ich vzhľad je spôsobený vzrušeným stavom priestoru a času.

Je zaujímavé, že v druhom prípade je tento fenomén úplne opísaný pomocou matice paralelnej dopravy pozdĺž kriviek spinovej siete. Vlastnosti tejto matice samy o sebe a predurčujú vlastnosti preon. Toto sú kvarky.

Sumarizáciou niektorých výsledkov môžeme povedať, že kvarky sú zvláštnou "kvantou" v zložení hadrónov. Zapôsobilo? A teraz budeme hovoriť o tom, ako bol kvarkov objavený vôbec. Je to veľmi fascinujúci príbeh, ktorý okrem iného viac odhaľuje niektoré z vyššie popísaných nuánov.

Podivné častice

Ihneď po skončení druhej svetovej vojny začali vedci aktívne skúmať svet subatomických častíc, ktoré až do tej doby vyzerali primitívne (podľa týchto pojmov) primitívne. Protóny, neutrony (nukleóny) a elektróny tvoria atóm. V roku 1947 boli objavené póny (a predpovedali ich existenciu už v roku 1935), ktoré boli zodpovedné za vzájomnú prilákanie nukleónov v jadre atómov. Táto udalosť vo svojej dobe bola venovaná viac ako jednej vedeckej výstave. Kvarky ešte neboli otvorené, ale čas útoku na ich "stopu" sa blížil.

Neutríny neboli v tom čase objavené. Ale ich zjavný význam pri vysvetľovaní beta rozpadov atómov bol taký veľký, že vedci mali o ich existencii len málo pochybností. Navyše niektoré antičastice už boli detegované alebo predpovedané. Len situácia s muónmi, ktoré vznikli počas rozpadu pionov, zostala nejasná a následne prešla do stavu neutrína, elektrónu alebo pozitrónu. Fyzici nechápali, prečo je táto medzistanica vôbec potrebná.

Bohužiaľ, ale taký jednoduchý a nenáročný model neprežil moment pionu. V roku 1947 dva anglickí fyzici, George Rochester a Clifford Butler, vydali jeden zaujímavý článok vo vedeckom časopise Nature. Materiálom pre ňu bola štúdia kozmického žiarenia pomocou oblačnej komory, počas ktorej dostávali zaujímavé informácie. Na jednej z fotografií získaných počas pozorovania bola jasne viditeľná dvojica skladieb so spoločným začiatkom. Keďže tento rozdiel sa podobal latinskému V, stal sa okamžite jasný - náboj týchto častíc je určite odlišný.

Vedci okamžite predpokladali, že tieto stopy naznačujú fakt rozpadu niektorých neznámych častíc, ktoré nezanechali za sebou iné stopy. Výpočty ukázali, že jeho hmotnosť je približne 500 MeV, čo je oveľa väčšia ako táto hodnota pre elektrón. Samozrejme, výskumníci nazývali ich objav V-častice. To však ešte nebolo kvarku. Táto častica stále čakala na svoju hodinu.

Všetko sa začína

Z tohto objavu začalo všetko. V roku 1949, za rovnakých podmienok, bola objavená stopa častice, ktorá viedla k vzniku troch pónov naraz. Čoskoro sa ukázalo, že ona, rovnako ako V-častica, sú úplne odlišní predstavitelia rodiny pozostávajúci zo štyroch častíc. Následne boli nazývané K-mesons (kaons).

Pár nabitých kaónov má hmotnosť 494 MeV a v prípade neutrálneho náboja 498 MeV. Mimochodom, v roku 1947 mali vedci dostatok šťastia, aby zachytili veľmi zriedkavý prípad kolapsu pozitívneho kaóna, ale vtedy jednoducho nemohli správne interpretovať obraz. Avšak, ak je to spravodlivé až do konca, potom sa v skutočnosti prvé pozorovanie kaóna vrátilo v roku 1943, ale informácie o ňom boli takmer stratené na pozadí mnohých povojnových vedeckých publikácií.

Nové Weirdnesses

A ďalší vedci čakali na ďalšie objavy. V rokoch 1950 a 1951 boli výskumníci z univerzity v Manchestri a Melbourne schopní nájsť častice oveľa ťažšie ako protóny a neutróny. Znova to nebolo nič, ale rozpadlo sa to na protón a pivónia. Tá, ako je zrejmé, mala záporný náboj. Nová častica bola označená písmenom Λ (lambda).

Čím viac času prešlo, tým viac otázok mali vedci. Problémom bolo, že nové častice sa objavili výlučne v silných atómových interakciách, ktoré sa rýchlo rozpadali na známe protóny a neutróny. Okrem toho sa vždy objavovali v pároch, vôbec neboli žiadne prejavy. To je dôvod, prečo skupina fyzikov z USA a Japonska navrhla použitie nového kvantového čísla v ich opise - zvláštnosti. Podľa ich definície bola zvláštnosť všetkých ostatných známych častíc rovná nule.

Ďalší výskum

Prielom v oblasti výskumu došlo až po vzniku novej systematizácie hadrónov. Najvýznamnejšou postavou bol izraelský Yuval Neaman, ktorý zmenil kariéru vynikajúceho vojenského muža na rovnako skvelú cestu vedca.

Upozornil na skutočnosť, že mezóny a baryóny, ktoré sa objavili v tom čase, sa rozpadli a tvorili zhluk príbuzných častíc, multiplety. Členovia každého takéhoto združenia majú úplne rovnakú zvláštnosť, ale proti elektrickým nábojom. Keďže skutočne silné jadrové interakcie z elektrických nábojov vôbec nezávisia, vo všetkom ostatných častice z multipletu vyzerajú ako dokonalé dvojičky.

Vedci naznačili, že určitý druh prirodzenej symetrie je zodpovedný za vznik takýchto formácií a čoskoro ju dokázali nájsť. Ukázalo sa, že ide o jednoduchú generalizáciu spinovej skupiny SU (2), ktorú vedci z celého sveta používali na opísanie kvantových čísel. Práve vtedy bolo známych 23 hadrónov, pričom ich otočenie sa rovnalo 0, ½ alebo celej jednotke, a preto nebolo možné použiť takúto klasifikáciu.

V dôsledku toho sme pre klasifikáciu museli použiť dve kvantové čísla, čo výrazne zvýšilo klasifikáciu. Takže tu bola skupina SU (3), ktorú na začiatku storočia vytvoril francúzsky matematik Eli Cartan. Na určenie systematického umiestnenia každej častice v ňom vedci vyvinuli výskumný program. Quark následne ľahko vstúpil do systematickej série, čo potvrdilo absolútnu správnosť špecialistov.

Nové kvantové čísla

Takže vedci sa priblížili myšlienke používania abstraktných kvantových čísel, ktoré sa stali hypernásobným a izotopovým spinom. S rovnakým úspechom však môžete získať zvláštnosť a elektrický náboj. Táto schéma bola podmienene nazývaná Osemnásobná cesta. Toto je analógia s budhizmom, kde pred dosiahnutím nirvány musíte prekonať aj osem úrovní. To všetko sú však texty.

Neemann a jeho kolega Gell-Mann publikovali svoje diela v roku 1961 a počet známych mezónov neprekročil sedem. Ale vo svojej práci výskumníci neváhali spomenúť vysokú pravdepodobnosť existencie ôsmeho mezónu. V roku 1961 bola ich teória skvelo potvrdená. Zistená častica sa nazýva tento mesón (grécke písmeno η).

Ďalšie zistenia a pokusy s jasom potvrdili absolútnu správnosť klasifikácie SU (3). Táto skutočnosť sa stala silným stimulom pre výskumníkov, ktorí zistili, že sú na správnej ceste. Aj samotný Gell-Mann nepochyboval o existencii kvarkov v prírode. Recenzia jeho teórie nebola veľmi pozitívna, ale vedec si bol istý jeho správnosťou.

Tu sú kvarky!

Čoskoro bol publikovaný článok "Schematický model baryónov a mezónov". V ňom vedci dokázali ďalej rozvíjať myšlienku systematizácie, ktorá sa ukázala ako užitočná. Zistili, že SU (3) úplne pripúšťa existenciu celých trojice fermionov, ktorých elektrický náboj sa pohybuje od 2/3 do 1/3 a -1/3 a v trojitej jednej častice sa vždy vyznačuje nenulovou zvláštnosťou. Už sme boli dobre známi, Gell-Mann ich nazval "elementárnymi kvarkovými časticami".

Podľa obvinení ich označil ako u, d a s (z anglických slov hore, dole a podivné). V súlade s novou schémou je každý baryón tvorený súčasne tromi kvarkami. Mesons sú oveľa jednoduchšie. Zahŕňajú jeden kvark (toto pravidlo je neotrasiteľné) a antikvark. Iba potom vedecká komunita uvedomila existenciu týchto častíc, na ktoré je náš článok venovaný.

Trochu viac pozadia

Tento článok, ktorý vo veľkej miere predurčoval vývoj fyziky v nasledujúcich rokoch, má dosť zvláštne zázemie. Gell-Mann premýšľal o existencii takýchto trojic už dávno pred jeho publikovaním, ale s nikým nepredpovedal svoje predpoklady. Faktom je, že jeho predpoklady o existencii čiastočiek s čiastočným nábojom vyzerali ako nezmysel. Po rozhovore s vynikajúcim teoretickým fyzikom Robertom Serberom sa však dozvedel, že jeho kolega urobil presne tie isté závery.

Okrem toho vedec urobil jediný správny záver: existencia takýchto častíc je možná iba vtedy, ak nie sú voľné fermóny, ale sú súčasťou hadrónov. Koniec koncov, v tomto prípade ich poplatky sú jediný celok! Spočiatku ich Gell-Mann nazval šialencami a dokonca ich spomenul v MTI, ale reakcia študentov a učiteľov bola veľmi nízka. Takže vedec dlho premýšľal o tom, či by mal svoj výskum na verejnom súde.

Samotné slovo "kvark" (tento zvuk pripomínajúci krik kačiek) bol prevzatý z práce Jamesa Joyceho. Zdá sa zvláštne, ako sa zdá, americký vedec poslal svoj článok do prestížneho európskeho vedeckého časopisu Physics Letters, pretože sa vážne obával, že redakcia podobne amerického vydania Physical Review Letters ho neprijme na uverejnenie. Mimochodom, ak sa chcete pozrieť aspoň na kópiu tohto článku - máte priamu cestu k rovnakému múzeu v Berlíne. Kvarky vo svojej expozícii nie sú k dispozícii, ale celá história ich objavu (presnejšie dokumentárny dôkaz) je.

Začiatok kvarkovej revolúcie

Z dôvodu spravodlivosti stojí za zmienku, že podobnú myšlienku takmer súčasne dosiahol vedec z CERN George Zweig. Spočiatku jeho mentor bol samotný Gell-Mann a potom Richard Feynman. Zweig tiež určil skutočnosť existencie fermionov, ktoré mali zlomkové poplatky, len ich nazvali esá. Navyše, talentovaný fyzik tiež považoval baryóny za triplet kvarkov a mezóny - ako kombináciu kvarkov a antikvarkov.

Jednoducho povedané, študent úplne zopakoval závery svojho učiteľa a úplne od neho. Jeho práca sa objavila dokonca pár týždňov pred publikovaním Mann, ale len ako "domáca príprava" inštitútu. Avšak prítomnosť dvoch nezávislých článkov, ktorých závery boli takmer totožné, okamžite presvedčila niektorých vedcov o vernosti navrhovanej teórie.

Od odmietania k dôvere

Mnohí výskumníci túto teóriu prijali ďaleko od okamžite. Áno, novinári a teoretici sa s ňou rýchlo zamilovali za jej viditeľnosť a jednoduchosť, ale vážni fyzici ju prijali až po 12 rokoch. Neobviňujte ich za nadmerný konzervativizmus. Faktom je, že pôvodne kvarková teória bola v ostrom rozpore so zásadou Pauli, ktorú sme spomenuli na samom začiatku článku. Ak predpokladáme, že protón obsahuje pár u-kvarkov a jediný d-kvark, potom prvý musí byť striktne v rovnakom kvantovom stave. Podľa Pauliho to nie je možné.

Vtedy sa objavilo dodatočné kvantové číslo vyjadrené vo forme farby (ktorú sme tiež spomenuli vyššie). Navyše bolo úplne nepochopiteľné, ako všeobecne interagujú elementárne kvarkové častice navzájom, prečo sa ich voľné druhy nevyskytujú. Všetky tieto tajomstvá pomohli odhaliť Teóriu meracích polí, ktorá bola "pripomenutá" až v polovici sedemdesiatych rokov. Približne v rovnakom čase bola kvarková teória hadrónov organicky začlenená do nej.

Ale najsilnejším vývojom teórie je úplná absencia aspoň niektorých experimentálnych experimentov, ktoré by potvrdili existenciu samotnú a interakciu kvarkov medzi sebou a inými časticami. A postupne sa začali objavovať až od konca šesťdesiatych rokov, kedy rýchly vývoj technológie umožnil uskutočniť experiment s "prosvetivaniyu" protonovým elektrónovým tokom. Práve tieto experimenty umožnili dokázať, že niektoré častice, ktoré boli pôvodne nazývané "partons", sa skutočne "skrývajú" vo vnútri protónov. Následne sme však boli presvedčení, že to nie je nič iné ako skutočný kvark, ale nestalo sa to až do konca roka 1972.

Experimentálne potvrdenie

Samozrejme, pokiaľ ide o konečné presvedčenia vedeckej komunity trvalo oveľa viac experimentálne dáta. V roku 1964, James Bjorken a Sheldon Glashow (budúce nositeľ Nobelovej ceny, mimochodom) navrhli, aj keď tam môže byť štvrtý druh tvaroh, ktoré sú pomenované Čarodejnice (Charmed).

Práve vďaka tejto hypotézy vedci v roku 1970 boli schopní vysvetliť mnoho zvláštností, ktoré boli pozorované v rozpade neutrálnych Kaon nabitých. Po štyroch rokoch, len dve nezávislé skupina amerických fyzikov boli schopní opraviť Meson kaz, ktorý obsahoval len jednu "očarení" kvark a jeho antikvark. Niet preto divu, že táto udalosť kedysi nazval novembrovej revolúcii. Prvýkrát teórie kvark bol viac či menej "vizuálne" pre potvrdenie.

Dôležitosť otvoru aspoň skutočnosť, že projektový manažér, Samuel Ting a Burton Richter, o dva roky neskôr získal Nobelovu cenu: Udalosť sa odráža v mnohých predmetoch. S niektorými z nich nájdete v origináli, ak navštívite New York Museum of Natural History. Kvarky, a ako už bolo povedané - veľmi dôležitý objav modernej doby, a preto sa pozornosť v rámci vedeckej obce, ktoré im vypláca moc.

ultima ratio

Až v roku 1976, výskumníci našli jednu časticu s nenulovú kúzlo, neutrálne D-mezón. Ide o pomerne zložitý kombinácia okúzľovala tvarohu a u-antiquark. Tu aj notorickí nepriatelia existencie kvarkov boli nútení priznať pravdu teórie, prvýkrát opísal pred viac ako dvoma desiatkami rokov. Jeden z najznámejších teoretických fyzikov, Dzhon Ellis, volal kúzlo "páky, ktorý zmenil svet."

Čoskoro zoznam nových objavov prišiel a pár veľmi masívny kvarkov, hornej a dolnej časti, ktoré sú ľahko schopní sa týkajú pričom už boli prijaté v čase objednania SU (3). V posledných rokoch vedci hovoria, že tam sú tzv Tetraquarks, že niektorí vedci daboval "Hadron molekuly."

Niektoré z týchto zistení a záverov

Malo by byť zrejmé, že otváranie a vedecké odôvodnenie pre existenciu kvarkov, v skutočnosti, môžete bezpečne predpokladať, že vedecké revolúcie. To možno považovať za začiatok roka 1947 (v skutočnosti 1943) a jej koniec pripadá na prvý zistenie "učarovala" mezóny. Ukazuje sa, že trvanie posledného dňa otvorenia takej úrovni, nič viac a nič menej, toľko ako 29 rokov (alebo dokonca 32 rokov)! A celú tú dobu bolo vynaložené nielen kvôli nálezu kvark! Gluon plazma ako hlavný objekt vo vesmíre čoskoro priťahovala oveľa väčšiu pozornosť vedcov.

Avšak, tým zložitejšie sa stáva odbor, tým dlhšie trvá vykonávať naozaj dôležité objavy. A keď hovoríme o častice, význam tohto objavu nemožno podceniť nikoho. Štúdium štruktúry kvarkov, bude daná osoba môcť preniknúť hlbšie do tajomstiev vesmíru. Je možné, že až po dokončení štúdia sa môžeme dozvedieť, aký veľký tresk a vesmír sa vyvíja v súlade s tým, čo zákony. V každom prípade je možné ich otvoriť presvedčiť mnoho fyzikov, že realita okolo nás je oveľa ťažšie minulosti výkony.

Takže viete, čo kvark. Táto častica v tej dobe spôsobil rozruch vo vedeckom svete a dnes výskumníci dúfajú konečne odhaliť všetky jeho tajomstvá.