Quark - je li to čestica? Saznajte što se sastoje od kvarkova. Koja čestica je manja od kvarkta?

Prije samo godinu dana Peter Higgs i François Engler dobili Nobelovu nagradu za rad koji je bio posvećen studiji subatomskih čestica.

Godine 1964. također su došla još dva nadarena 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 trećini 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 kompozitu hadrona, te čestice su na udaljenosti koja ne prelazi vrijednost ograničenja. To je objašnjeno jednostavno: oni razmjenjuju vektore mjerila polja, to jest, gluonima. Zašto je kvark važan? Gluon plazma (zasićena kvarkama) je stanje tvari u kojem je cijeli svemir bio smješten odmah nakon velike buke. 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 (asimptotska sloboda).

Dakle, svaka snažna interakcija u hadronima objašnjava se prijelazom gluona između kvarkova. Ako govorimo o interakciji 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.

Objasnit ćemo. 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 napisati ovako: d = u + w (to je propadanje neutrona). Sukladno tome, proton je napisan pomalo drugačijom formulom: u = d + w.

Usput, posljednji proces objašnjava stalni tok neutrina i pozitrona iz velikih zvijezda klastera. Dakle, mjerilo svemira malo manje važna čestica, što je kvark-gluon plazma, kao što smo već rekli, potvrđuje Veliki prasak i proučavanje tih čestica omogućiti znanstvenicima da bolje razumiju suštinu svijeta u kojem živimo.

Što je manje od kvarkova?

Usput, što se sastoji od kvarkova? Njihov sastavnik je preon. Ove čestice su vrlo male i slabo shvaćene, tako da i danas nisu jako poznate. 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, izgled tih čestica objašnjava se oscilacijom žica. Druga hipoteza pretpostavlja da je njihovo pojavljivanje uzrokovano 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 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? A sada ćemo razgovarati o tome kako je kvark otkriveno uopće. Ovo je vrlo fascinantna priča koja, među ostalim, u potpunosti otkriva neke od nijansi opisanih gore.

Čudne čestice

Odmah nakon završetka Drugog svjetskog rata, znanstvenici su počeli aktivno istraživati ​​svijet subatomskih čestica, koji su do tada izgledali primitivno jednostavnim (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 međusobnu privlačnost 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 toliko 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 pozitrona. Fizičari nisu razumjeli zašto ovo posrednička stanica.

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 nepodudarnost nalik latinskom V, odmah je postala jasna - 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-česticom. Ipak, još nije bio kvark. Ta je čestica još uvijek čekala svoj sat.

Sve je tek početak

Od 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, u 1947, znanstvenici su imali sreću uhvatiti samo isti vrlo rijedak slučaj pozitivnog Kaona propada, ali u to vrijeme oni jednostavno nisu bili u mogućnosti da ispravno interpretira sliku. No, da budem fer, to je zapravo prvi promatranje Kaona je napravljen davne 1943. godine, no informacije o tome gotovo je izgubio protiv pozadini brojnih poslijeratnih znanstvenih publikacija.

Nove čudnovatosti

I dalje su znanstvenici čekali 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, već se razbio u proton i peon. Ovo posljednje, kao što se može razumjeti, imalo je negativni naboj. Nova čestica bila je označena slovom Lambda- (lambda).

Što je više vremena prolazilo, više su pitanja znanstvenici imali. 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. Stoga skupina fizičara iz Sjedinjenih Država i Japana predložila je upotrebu novog kvantnog broja u svom opisu - neobičnost. 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 Neemann, koji je promijenio karijeru izvanrednog vojnika na jednako briljantan put znanstvenika.

Skrenuo je pozornost na činjenicu da su mesoni i barionisti otkriveni do tada raspadali, stvarajući skupinu srodnih čestica, multipleta. Članovi svake takve udruge imaju točno istu neobičnost, ali suprotno električnim nabojima. Budući da jako jake nuklearne interakcije s električnih naboja uopće ne ovise, u svemu drugom, čestice iz multipleta izgledaju kao savršeni blizanci.

Znanstvenici su predložili da je neka vrsta prirodne simetrije odgovorna za nastanak 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. Ali tek tada su već bili poznati 23 hadrona, a njihovi leđima bili su jednaki 0, frac12- ili cijelu jedinicu, pa stoga nije bilo moguće koristiti takvu klasifikaciju.

Kao rezultat toga, morali smo koristiti dva kvantna broja za klasifikaciju, što je značajno povećalo klasifikaciju. Tako se pojavila 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. Kvark 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 moguće je uzeti neobičnost i električni naboj. Ova je shema uvjetno nazvana Osamostruki put. To je analogija s budizmom, gdje je potrebno i osam razina kako bi se postigla nirvana. Međutim, sve ovo je tekst.

Neemann i njegov kolega Gell-Mann objavili su svoje radove 1961. godine, a broj poznatih mezona nije prelazio sedam. No, u svojim radovima istraživači nisu oklijevali spomenuti visoku vjerojatnost postojanja osmog mesona. U istom 1961. godini njihova se teorija briljantno potvrđuje. Pronađena čestica zvala se ovo-mezon (grčko slovo eta-).

Daljnji nalazi i eksperimenti sjaja potvrdili su apsolutnu ispravnost SU (3) klasifikacije. Ta je okolnost postala snažan poticaj istraživačima koji su otkrili da su na pravom putu. Čak ni Gell-Mann nije sumnjao da su kvarkovi postojali u prirodi. Recenzije o njegovoj teoriji nisu bile vrlo pozitivne, ali znanstvenik je bio siguran u njegovu ispravnost.

Ovdje su kvarkovi!

Ubrzo je objavljen članak "Shematski model bionona i mezona". U njemu znanstvenici su mogli dalje razvijati ideju sistematizacije, što se pokazalo korisnim. Otkrili su da je SU (3) potpuno pretpostavlja postojanje cijele trojke fermiona, električni naboj koji se kreće od 2/3 do 1/3 i 1/3, gdje je u trojka jedna čestica je uvijek drugačiji različit od nule neobičnost. 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 je u velikoj mjeri predodređen razvoju fizike za godinama koje dolaze, ima prilično neobičnu pozadinu. Gell-Mann je razmišljao o postojanju takvih trojki mnogo prije objavljivanja, ali nije s njim 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 njihovi troškovi čine jednu cjelinu! U početku ih je Gell-Mann nazvao čudesima, pa ih čak spominje u MTI-u, ali reakcija učenika i nastavnika bila je vrlo niska. Stoga je znanstvenik dugo vremena razmišljao o tome treba li svoje istraživanje provesti na javnome sudu.

Upravo riječ "kvark" (ovaj zvuk nalik plavom patku) preuzet je s djela Jamesa Joycea. Čudno, ali američki znanstvenik poslao članak u prestižnom europskom znanstvenom časopisu Physics Letters, jer ozbiljno bojao da sličan revizija razine američkog izdanja Physical Review Letters neće prihvatiti 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 vrijedi napomenuti da je gotovo istodobno slična misao dosegnula znanstvenik iz CERN-a, George Zweig. U početku je mentor bio sam Gell-Mann, a zatim Richard Feynman. Zweig je također odredio stvarnost postojanja fermiona, koji su imali frakcijske troškove, samo ih nazivaju acesima. Štoviše, talentirani fizičar smatrao je i barionone kao triplet kvarkova, a mesoni - 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 "pripremu doma" 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 se brzo zaljubili u nju zbog njezine jasnoće i jednostavnosti, ali su ga ozbiljni fizičari prihvatili tek nakon 12 godina. Nemojte ih kriviti za pretjeranu konzervativnost. Činjenica je da je u početku teorija kvarkova oštro proturječila načelu Pauli, koju smo spomenuli na samom početku članka. Ako pretpostavimo da je proton sadrži par u-kvarkova i jedina d-kvark, prvi bi trebao biti strogo u istom kvantnom stanju. Prema Pauliju, to je nemoguće.

Tada se pojavio dodatni kvantni broj, izražen u obliku boje (što smo već spomenuli). Osim toga, bilo je posve 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" tek sredinom 70-ih godina. Otprilike u isto vrijeme, teorija kvarta hadrona bila je organski ugrađena u njega.

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 omogućio provođenje pokusa s protonskim protonskim protonskim proturatima. Upravo su ti eksperimenti omogućili dokazivanje da su neke čestice, koje su u početku nazvane parton, zapravo "skrivali" unutar protona. Kasnije smo bili uvjereni da to nije ništa drugo nego pravi kvar, ali to se nije dogodilo 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).

Zahvaljujući toj hipotezi, znanstvenici su 1970. godine mogli objasniti mnoge neobičnosti koje su se opazile u propadanju neutronno nabijenih kaona. Četiri godine kasnije, dvije nezavisne skupine američkih fizičara uspjele su popraviti propadanje mezona, koji je uključivao samo jedan "šarmiran" kvark, kao i njegov antiquark. Ne čudi da je taj događaj odmah nazvan Revolucija u studenom. Po prvi put je teorija kvarkova dobila više ili manje "jasnu" potvrdu.

Važnost otkrića pokazuje i činjenica da su voditelji projekata, Samuel Ting i Barton Richter, dvije godine kasnije dobili svoju Nobelovu nagradu: ovaj događaj se odražava u mnogim člancima. Neki od njih možete vidjeti u izvorniku, ako posjetite New York Science Museum. Kvarkovi, kao što smo već rekli, izuzetno su važna otkrića suvremenosti, pa im se pažnja posvećuje u znanstvenoj zajednici.

Posljednji argument

Tek 1976. istraživači su još uvijek pronašli jednu česticu s nečim šarmom, neutralnim D-mesonom. Ovo je prilično složen spoj jednog šarmiranog quark-a i u-antiquark-a. Ovdje su čak i otvrdnuti protivnici postojanja kvarkova bili prisiljeni prepoznati ispravnost teorije, prvi put opisani prije više od dva desetljeća. Jedan od najpoznatijih teorijskih fizičara, John Ellis, nazvao je šarm "poluga koja je okrenula svijet".

Ubrzo su nekoliko posebnih masivnih kvarkova, vrh i dno, ušli u popis novih otkrića, koji bi se lako mogli povezati s SU (3) sistematizacijom koja je već bila prihvaćena u to vrijeme. Posljednjih godina znanstvenici kažu da postoje tzv. Tetraquarks, koje neki znanstvenici već nazivaju "hadronim molekulama".

Neki zaključci i zaključci

Moramo shvatiti da se otkriće i znanstveno opravdanje za postojanje kvarkova doista može smatrati znanstvenom revolucijom. Početak se može smatrati 1947. (u načelu, 1943.), a kraj toga je otkriće prvog "šarmiranog" mezona. Ispada da trajanje posljednjeg otkrića do sada za takvu razinu je čak 29 godina (ili čak 32 godine)! I sve to vrijeme proveo je ne samo radi pronalaženja kvarkova! Gluon plazma kao primarni objekt u svemiru uskoro je privukla mnogo više pozornosti znanstvenika.

Međutim, što je teže polje učenja postaje, to je potrebno više vremena za stvaranje stvarno važnih otkrića. A što se tiče čestica o kojima raspravljamo, nitko ne može podcijeniti važnost takvog izuma. Proučavajući strukturu kvarkova, osoba može prodrijeti dublje u tajne svemira. Moguće je da ćemo tek nakon potpune studije moći saznati kako se dogodila velika eksplozija i prema kojima se zakoni razvijaju. U svakom slučaju, to je bilo njihovo otkriće koje je omogućilo uvjeravanje mnogih fizičara da je stvarnost koja nas okružuje mnogo složenija od starih ideja.

Znači, doznali ste što je kvark. Ova čestica u svoje vrijeme uvela je puno buke u znanstveni svijet, a čak i danas istraživači su puni nada da će konačno otkriti sve svoje tajne.