För bara ett år sedan fick Peter Higgs och François Engler Nobelpriset för sitt arbete med subatomära partiklar. Det kan tyckas löjligt, men forskare gjorde sina upptäckter för ett halvt sekel sedan, men fram tills nu har de inte fått någon större betydelse.
1964 kom även ytterligare två begåvade fysiker fram med sin innovativa teori. Till en början väckte hon heller nästan ingen uppmärksamhet. Detta är konstigt, eftersom hon beskrev strukturen hos hadroner, utan vilken ingen stark interatomisk interaktion är möjlig. Det var kvarkteorin.
Vad är det här?
Förresten, vad är en kvarg? Detta är en av de viktigaste komponenterna i hadronen. Viktig! Denna partikel har en "halv" spin, i själva verket en fermion. Beroende på färgen (mer om det nedan), kan laddningen för en kvark vara lika med en tredjedel eller två tredjedelar av en protons. När det gäller färger finns det sex av dem (generationer av kvarkar). De behövs för att Pauli-principen inte ska kränkas.
Grundläggandedetaljer
I sammansättningen av hadroner är dessa partiklar lokaliserade på ett avstånd som inte överstiger inneslutningsvärdet. Detta förklaras enkelt: de utbyter vektorer av mätfältet, det vill säga gluoner. Varför är kvarken så viktig? Gluonplasma (mättad med kvarkar) är materiens tillstånd där hela universum befann sig omedelbart efter big bang. Följaktligen är förekomsten av kvarkar och gluoner en direkt bekräftelse på att han verkligen var det.
De har också sin egen färg, och därför skapar de under rörelsen sina virtuella kopior. Följaktligen, när avståndet mellan kvarkar ökar, ökar kraften i interaktionen mellan dem avsevärt. Som du kanske gissar, på ett minsta avstånd försvinner interaktionen praktiskt taget (asymptotisk frihet).
All stark interaktion i hadroner förklaras alltså av övergången av gluoner mellan kvarkar. Om vi talar om interaktioner mellan hadroner, så förklaras de av överföringen av pi-mesonresonans. Enkelt uttryckt, indirekt, handlar allt återigen om utbyte av gluoner.
Hur många kvarkar finns i nukleoner?
Varje neutron består av ett par d-kvarkar och till och med en enda u-kvark. Varje proton, tvärtom, består av en enda d-kvark och ett par u-kvarkar. Bokstäver tilldelas förresten beroende på kvantnummer.
Låt oss förklara. Till exempel förklaras beta-sönderfall exakt av omvandlingen av en av samma typ av kvarkar i nukleonens sammansättning till en annan. För att göra det tydligare kan denna process skrivas som en formel så här: d=u + w (detta är neutronsönderfall). Respektive,proton skrivs med en något annorlunda formel: u=d + w.
Förresten, det är den senare processen som förklarar det konstanta flödet av neutriner och positroner från stora stjärnhopar. Så i universums skala finns det få partiklar som är så viktiga som kvarken: gluonplasma, som vi redan har sagt, bekräftar faktumet av big bang, och studier av dessa partiklar gör det möjligt för forskare att bättre förstå själva essensen av världen som vi lever i.
Vad är mindre än en kvarg?
Förresten, vad består kvarkar av? Deras ingående partiklar är preoner. Dessa partiklar är mycket små och dåligt förstådda, så att ännu idag inte mycket är känt om dem. Det är vad som är mindre än en kvarg.
Var kom de ifrån?
Hittills är de två vanligaste hypoteserna om bildningen av preoner: strängteori och Bilson-Thompson-teori. I det första fallet förklaras utseendet av dessa partiklar av strängoscillationer. Den andra hypotesen antyder att deras utseende orsakas av ett exciterat tillstånd av rum och tid.
Intressant nog, i det andra fallet kan fenomenet beskrivas fullständigt med hjälp av matrisen för parallell överföring längs kurvorna i spinnnätverket. Egenskaperna för just denna matris förutbestämmer egenskaperna för preonen. Detta är vad kvarkar är gjorda av.
Summerar vi några resultat kan vi säga att kvarkar är ett slags "kvanta" i sammansättningen av hadroner. Imponerad? Och nu ska vi prata om hur kvarken upptäcktes i allmänhet. Det här är en mycket intressant historia, som dessutom helt avslöjar några av nyanserna som beskrivs ovan.
Konstiga partiklar
Omedelbart efter andra världskrigets slut började forskare aktivt utforska subatomära partiklars värld, som fram till dess såg primitivt enkel ut (enligt dessa idéer). Protoner, neutroner (nukleoner) och elektroner bildar en atom. 1947 upptäcktes pioner (och deras existens förutspåddes redan 1935), som var ansvariga för den ömsesidiga attraktionen av nukleoner i atomkärnan. Mer än en vetenskaplig utställning ägnades åt detta evenemang samtidigt. Quarks hade ännu inte upptäckts, men ögonblicket för attacken mot deras "spår" närmade sig.
Neutrinos hade ännu inte upptäckts vid den tiden. Men deras uppenbara betydelse för att förklara atomers beta-sönderfall var så stor att forskarna inte tvivlade på deras existens. Dessutom har vissa antipartiklar redan upptäckts eller förutspåtts. Det enda som förblev oklart var situationen med myoner, som bildades under sönderfallet av pioner och därefter övergick i tillståndet av en neutrino, elektron eller positron. Fysiker förstod inte alls vad den här mellanstationen var till för.
Ack, en så enkel och opretentiös modell överlevde inte ögonblicket då pioner upptäcktes länge. 1947 publicerade två engelska fysiker, George Rochester och Clifford Butler, en intressant artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature. Materialet för det var deras studie av kosmiska strålar med hjälp av en molnkammare, under vilken de fick nyfiken information. På ett av fotografierna som togs under observationen syntes ett par spår med en gemensam början tydligt. Eftersom diskrepansen liknade det latinska V:t blev det genast tydligt– laddningen av dessa partiklar är definitivt annorlunda.
Forskare antog omedelbart att dessa spår tyder på att någon okänd partikel har sönderfallet, som inte lämnade några andra spår. Beräkningar har visat att dess massa är cirka 500 MeV, vilket är mycket större än detta värde för en elektron. Naturligtvis kallade forskarna sin upptäckt för V-partikeln. Det var dock ännu inte en kvarg. Denna partikel väntade fortfarande i kulisserna.
Det har precis börjat
Allt började med den här upptäckten. 1949, under samma förhållanden, upptäcktes ett spår av en partikel, vilket gav upphov till tre pioner på en gång. Det stod snart klart att hon, liksom V-partikeln, är helt olika representanter för en familj bestående av fyra partiklar. Därefter kallades de K-mesons (kaoner).
Ett par laddade kaoner har en massa på 494 MeV, och i fallet med en neutral laddning - 498 MeV. Förresten, 1947 hade forskare turen att fånga precis samma mycket sällsynta fall av förfallet av en positiv kaon, men vid den tiden kunde de helt enkelt inte tolka bilden korrekt. Men för att vara helt rättvis, faktiskt, gjordes den första observationen av kaon redan 1943, men information om detta gick nästan förlorad mot bakgrund av många efterkrigstidens vetenskapliga publikationer.
Nya konstigheter
Och sedan väntade fler upptäckter för forskare. 1950 och 1951 lyckades forskare från University of Manchester och Melnburg hitta partiklar mycket tyngre än protoner och neutroner. Den hade återigen ingen laddning, men förföll till en proton och en pion. Det senare, som man förstår,negativ laddning. Den nya partikeln fick namnet Λ (lambda).
Ju mer tiden gick, desto fler frågor hade forskarna. Problemet var att nya partiklar uppstod uteslutande från starka atomära interaktioner, som snabbt sönderföll till de kända protonerna och neutronerna. Dessutom dök de alltid upp i par, det fanns aldrig enstaka manifestationer. Det var därför en grupp fysiker från USA och Japan föreslog att man skulle använda ett nytt kvantnummer - konstigheter - i sin beskrivning. Enligt deras definition var konstigheten hos alla andra kända partiklar noll.
Ytterligare forskning
Genombrottet inom forskningen skedde först efter uppkomsten av en ny systematisering av hadroner. Den mest framstående figuren i detta var israelen Yuval Neaman, som ändrade karriären för en enastående militär till en lika lysande väg för en vetenskapsman.
Han märkte att mesonerna och baryonerna som upptäcktes vid den tiden sönderfaller och bildar ett kluster av relaterade partiklar, multipletter. Medlemmarna i varje sådan förening har exakt samma konstigheter, men motsatta elektriska laddningar. Eftersom riktigt starka kärnväxelverkan inte alls är beroende av elektriska laddningar ser i alla andra avseenden partiklarna från multipletten ut som perfekta tvillingar.
Forskare föreslog att viss naturlig symmetri är ansvarig för uppkomsten av sådana formationer, och snart lyckades de hitta den. Det visade sig vara en enkel generalisering av spingruppen SU(2), som forskare runt om i världen använde för att beskriva kvanttal. Härbara vid den tiden var 23 hadroner redan kända, och deras snurr var lika med 0, ½ eller en heltalsenhet, och därför var det inte möjligt att använda en sådan klassificering.
Som ett resultat måste två kvanttal användas för klassificering på en gång, vilket ledde till att klassificeringen utökades avsevärt. Så uppstod gruppen SU(3), som skapades i början av seklet av den franske matematikern Elie Cartan. För att bestämma den systematiska positionen för varje partikel i den har forskare utvecklat ett forskningsprogram. Kvarken kom därefter lätt in i den systematiska serien, vilket bekräftade experternas absoluta riktighet.
Nya kvantnummer
Så forskare kom på idén att använda abstrakta kvanttal, vilket blev hyperladdning och isotopspinn. Konstigheter och elektrisk laddning kan dock tas med samma framgång. Detta schema kallades konventionellt den åttafaldiga vägen. Detta fångar analogin med buddhismen, där innan du når nirvana måste du också gå igenom åtta nivåer. Men allt detta är texter.
Neeman och hans kollega, Gell-Mann, publicerade sitt arbete 1961, och antalet kända mesoner översteg inte sju. Men i sitt arbete var forskarna inte rädda för att nämna den höga sannolikheten för förekomsten av den åttonde mesonen. Samma 1961 bekräftades deras teori briljant. Den hittade partikeln fick namnet eta meson (grekisk bokstav η).
Ytterligare fynd och experiment med ljusstyrka bekräftade den absoluta riktigheten av SU(3)-klassificeringen. Denna omständighet har blivit kraftfullett incitament för forskare som har funnit att de är på rätt väg. Inte ens Gell-Mann själv tvivlade längre på att kvarkar finns i naturen. Recensioner om hans teori var inte alltför positiva, men vetenskapsmannen var säker på att han hade rätt.
Här är kvarkarna
Snart publicerades artikeln "Schematic model of baryons and mesons". I den kunde forskare vidareutveckla idén om systematisering, som visade sig vara så användbar. De fann att SU(3) helt tillåter existensen av hela tripletter av fermioner, vars elektriska laddning sträcker sig från 2/3 till 1/3 och -1/3, och i tripletten har en partikel alltid konstigheter som inte är noll. Gell-Mann, som redan är välkänd för oss, kallade dem "kvarkelementarpartiklar."
Enligt anklagelserna betecknade han dem som u, d och s (från de engelska orden up, down and strange). I enlighet med det nya schemat bildas varje baryon av tre kvarkar samtidigt. Mesoner är mycket enklare. De inkluderar en kvark (denna regel är orubblig) och en antikvark. Först efter det blev det vetenskapliga samfundet medvetet om existensen av dessa partiklar, som vår artikel ägnas åt.
Litt mer bakgrund
Den här artikeln, som till stor del förutbestämde fysikens utveckling för kommande år, har en ganska nyfiken bakgrund. Gell-Mann tänkte på förekomsten av denna typ av trillingar långt innan den publicerades, men diskuterade inte sina antaganden med någon. Faktum är att hans antaganden om förekomsten av partiklar med en fraktionell laddning såg ut som nonsens. Men efter att ha pratat med den framstående teoretiske fysikern Robert Serber fick han veta att hans kollegadrog exakt samma slutsatser.
Dessutom drog vetenskapsmannen den enda korrekta slutsatsen: förekomsten av sådana partiklar är möjlig endast om de inte är fria fermioner, utan är en del av hadroner. I det här fallet bildar deras anklagelser en enda helhet! Till en början kallade Gell-Mann dem kvarkar och nämnde dem till och med på MTI, men elevernas och lärarnas reaktion var mycket återhållsam. Därför funderade forskaren väldigt länge på om han skulle lämna in sin forskning till allmänheten.
Själva ordet "quark" (ett ljud som påminner om ankors rop) togs från James Joyces verk. Märkligt nog, men den amerikanske vetenskapsmannen skickade sin artikel till den prestigefyllda europeiska vetenskapliga tidskriften Physics Letters, eftersom han allvarligt fruktade att redaktörerna för den amerikanska upplagan av Physical Review Letters, liknande nivåer, inte skulle acceptera den för publicering. Förresten, om du åtminstone vill titta på en kopia av den artikeln har du en direkt väg till samma Berlin Museum. Det finns inga kvarkar i hans utläggning, men det finns en fullständig historia av deras upptäckt (mer exakt, dokumentära bevis).
Start av Quark-revolutionen
För att vara rättvis bör det noteras att nästan samtidigt kom en vetenskapsman från CERN, George Zweig, på en liknande idé. Först var Gell-Mann själv hans mentor, och sedan Richard Feynman. Zweig fastställde också verkligheten av förekomsten av fermioner som hade bråkladdningar, bara kallade dem ess. Dessutom betraktade den begåvade fysikern också baryoner som en trio av kvarkar och mesoner som en kombination av kvarkar.och antikvark.
Enkelt uttryckt, eleven upprepade helt slutsatserna från sin lärare, och helt skild från honom. Hans verk dök upp till och med ett par veckor före Manns publicering, men bara som ett "hemgjort" verk av institutet. Det var dock närvaron av två oberoende verk, vars slutsatser var nästan identiska, som omedelbart övertygade vissa vetenskapsmän om riktigheten av den föreslagna teorin.
Från avslag till förtroende
Men många forskare accepterade denna teori långt ifrån omedelbart. Ja, journalister och teoretiker blev snabbt förälskade i den för dess klarhet och enkelhet, men seriösa fysiker accepterade den först efter 12 år. Skyll inte på dem för att de är för konservativa. Faktum är att teorin om kvarkar från början motsäger Pauli-principen, som vi nämnde i början av artikeln. Om vi antar att en proton innehåller ett par u-kvarkar och en enda d-kvark, så måste den förra vara strikt i samma kvanttillstånd. Enligt Pauli är detta omöjligt.
Det var då ett extra kvantnummer dök upp, uttryckt som en färg (som vi också nämnde ovan). Dessutom var det helt obegripligt hur elementarpartiklar av kvarkar interagerar med varandra i allmänhet, varför deras fria varianter inte förekommer. Alla dessa hemligheter hjälpte till stor del att reda ut av Theory of Gauge Fields, som "kom ihåg" först i mitten av 70-talet. Ungefär samtidigt var kvarkteorin om hadroner organiskt inkluderad i den.
Men mest av allt hölls utvecklingen av teorin tillbaka av den totala frånvaron av åtminstone några experimentella experiment,vilket skulle bekräfta både själva existensen och interaktionen mellan kvarkar med varandra och med andra partiklar. Och de började gradvis dyka upp först från slutet av 60-talet, när den snabba utvecklingen av teknik gjorde det möjligt att genomföra ett experiment med "överföring" av protoner genom elektronströmmar. Det var dessa experiment som gjorde det möjligt att bevisa att vissa partiklar verkligen "gömts" inuti protonerna, som ursprungligen kallades partoner. Senare var de ändå övertygade om att detta inte var något annat än en riktig kvarg, men detta hände först i slutet av 1972.
Experimentell bekräftelse
Naturligtvis behövdes mycket mer experimentell data för att äntligen övertyga forskarvärlden. 1964 föreslog James Bjorken och Sheldon Glashow (den blivande Nobelpristagaren, förresten) att det också kunde finnas en fjärde sorts kvarg, som de kallade charmad.
Det var tack vare denna hypotes som vetenskapsmän redan 1970 kunde förklara många av de konstigheter som observerades under förfallet av neutr alt laddade kaoner. Fyra år senare lyckades två oberoende grupper av amerikanska fysiker på en gång fixa förfallet av mesonen, som bara inkluderade en "charmerad" kvark, såväl som dess antikvark. Inte överraskande kallades denna händelse omedelbart Novemberrevolutionen. För första gången fick teorin om kvarkar mer eller mindre "visuell" bekräftelse.
Vikten av upptäckten bevisas av det faktum att projektledarna, Samuel Ting och Barton Richter, redan är igenomtog emot sitt Nobelpris i två år: denna händelse återspeglas i många artiklar. Du kan se några av dem i originalet om du besöker New York Museum of Natural Science. Quarks, som vi redan har sagt, är en oerhört viktig upptäckt i vår tid, och därför ägnas dem mycket uppmärksamhet i det vetenskapliga samfundet.
Sluta argument
Det var inte förrän 1976 som forskare hittade en partikel med charm som inte var noll, den neutrala D-mesonen. Detta är en ganska komplex kombination av en charmad kvark och en u-antikvark. Här tvingades till och med hårda motståndare till kvarkars existens erkänna riktigheten av teorin, som först uttalades för mer än två decennier sedan. En av de mest kända teoretiska fysikerna, John Ellis, kallade charmen "hävarmen som vände världen runt."
Snart inkluderade listan över nya upptäckter ett par särskilt massiva kvarkar, topp och botten, som lätt kunde korreleras med den SU(3)-systematisering som redan accepterades vid den tiden. Under de senaste åren har forskare pratat om förekomsten av så kallade tetraquarks, som vissa forskare redan har kallat "hadronmolekyler."
Några slutsatser och slutsatser
Du måste förstå att upptäckten och den vetenskapliga motiveringen för kvarkars existens verkligen kan betraktas som en vetenskaplig revolution. Det kan betraktas som år 1947 (i princip 1943) som dess början, och dess slut faller på upptäckten av den första "förtrollade" mesonen. Det visar sig att varaktigheten av den senaste upptäckten av denna nivå hittills är, inte mindre, så mycket som 29 år (eller till och med 32 år)! Och allt dettatid användes inte bara för att hitta kvarken! Som det ursprungliga objektet i universum väckte gluonplasma snart mycket mer uppmärksamhet från forskare.
Men, ju mer komplext studieområdet blir, desto mer tid tar det att göra riktigt viktiga upptäckter. När det gäller partiklarna vi diskuterar kan ingen underskatta vikten av en sådan upptäckt. Genom att studera kvarkars struktur kommer en person att kunna tränga djupare in i universums hemligheter. Det är möjligt att vi först efter en fullständig studie av dem kommer att kunna ta reda på hur big bang hände och enligt vilka lagar vårt universum utvecklas. Hur som helst var det deras upptäckt som gjorde det möjligt att övertyga många fysiker om att verkligheten kring oss är mycket mer komplicerad än tidigare idéer.
Så du har lärt dig vad en kvarg är. Denna partikel gjorde en gång mycket oväsen i den vetenskapliga världen, och i dag är forskare fulla av hopp om att äntligen avslöja alla dess hemligheter.
