Quark - ali je delec? Preberite, katere kvarke sestavljajo. Kateri delec je manjši od kvarka?

Pred letom dni sta Peter Higgs in François Engler prejela Nobelovo nagrado za delo, ki je bilo posvečeno študiji subatomske delce.

Leta 1964 so se pojavili še dva nadarjena fizika s svojo pionirsko teorijo. Sprva je privabila tudi skoraj nobeno pozornost. To je čudno, saj je opisalo strukturo hadronov, brez katerih ni mogoče doseči nobene interatomske interakcije. To je bila teorija kvarkov.

Kaj je to?

Mimogrede, kaj je kvark? To je ena najpomembnejših sestavnih delov atronov. Pomembno! Ta delec ima "polovico" centrifuge, ki je v bistvu fermion. Odvisno od barve (o tem spodaj) je lahko polnjenje kvarkov enako tretjini ali dvema tretjinama obremenitve protona. Kar se tiče barv, je šest (generacija kvarkov). Potrebni so, da ne bi kršili načela Paulija.

Osnovne informacije

V haveronski sestavi so ti delci na razdalji, ki ne presega mejne vrednosti. To je preprosto pojasnjeno: izmenjujejo vektorje polja merilnika, to je gluonov. Zakaj je quark pomemben? Gluonska plazma (nasičena s kvarkami) je stanje snovi, v katerem se je celotno vesolje nahaja takoj po velikem udarcu. Zato je obstoj kvarkov in gluonov neposredna potrditev dejstva, da je v resnici.

Imajo tudi svojo barvo in zato med gibanjem ustvarijo virtualne kopije. Ker se razdalja med kvarki poveča, se sila interakcije med njimi močno poveča. Kot lahko uganite, z minimalno razdaljo, interakcija praktično izgine (asimptotska svoboda).

Tako se vsako močno interakcijo v hadronih razlaga s prehodom gluonov med kvarkami. Če govorimo o interakcijah med atroni, jih razložimo s prenosom pionske resonance. Preprosto rečeno, posredno, vse se ponovno zmanjša za izmenjavo gluonov.

Koliko kvarkov je del nukleonov?

Vsak nevtron je sestavljen iz par d-kvarkov in tudi enega u-kvarka. Vsak proton je na drugi strani sestavljen iz enega samega d-kvarka in para u-kvarkov. Mimogrede so črke postavljene glede na kvantne številke.

Razložili bomo. Na primer, beta propad je mogoče pojasniti samo s preoblikovanjem enega od istih kvarkov v nukleonu v drugega. Da bi bilo bolje razumeti, je v obliki formule ta postopek lahko zapisan takole: d = u + w (to je nevtronsko propadanje). V skladu s tem je proton napisan z nekoliko drugačno formulo: u = d + w.

Mimogrede, je ta postopek je pojasnjen z enakomeren tok nevtrinov in pozitronov od glavnih grozdov zvezda. Torej obseg vesolja malo manj pomembna delcev, ki je kvark-Gluon plazme, kot smo že povedali, potrjuje Big Bang, in študija teh delcev omogočajo znanstvenikom, da bi bolje razumeli bistvo sveta, v katerem živimo.

Kaj je manj kot kvark?

Mimogrede, kaj vsebujejo kvarki? Njihova sestavina so predoni. Ti delci so zelo majhni in slabo razumljeni, zato tudi danes niso zelo dobro znani. To je manj kot kvark.

Od kod so prišli?

Do danes so najpogostejše dve hipotezi o nastanku preionov: teorija niza in teorija Bilson-Thompsona. V prvem primeru se videz teh delcev razlaga z nihanjem niza. Druga hipoteza predpostavlja, da je njihov videz posledica vznemirjenega stanja prostora in časa.

Zanimivo je, da se v drugem primeru pojav lahko popolnoma opiše z uporabo matrike vzporednega transporta vzdolž krivulj spinskega omrežja. Lastnosti same matrike in jih predhodno določite. To je tisto, kar sestavljajo kvari.

Če povzamemo nekaj rezultatov, lahko rečemo, da so kvarkovi značilni "kvanti" v sestavi hadronov. Impresioniran? In zdaj bomo govorili o tem, kako je bil kvark odkrit. To je zelo zanimiva zgodba, ki med drugim bolj razkriva nekatere zgoraj navedene nianse.

Čudni delci

Takoj po koncu druge svetovne vojne, so znanstveniki začeli aktivno raziskati svet subatomskih delcev, ki se je doslej zdelo, da samo primitivni (za ogled). Protoni, nevtroni (nukleoni) in elektroni so tvorili atom. Leta 1947 je odprl potonike (in napovedal njen obstoj v 1935), ki so bili odgovorni za medsebojno privlačnost za nukleonov v jedru atomov. Ta dogodek je v svojem času namenjen več kot eni znanstveni razstavi. Kvarki še niso odprta, vendar je čas za napad na njihove "odtis" je bil bližje.

Neutrino do takrat niso odkrili. Toda njihov očiten pomen razložiti beta razpad atomov je bil tako velik, da so znanstveniki malo dvoma o njihovem obstoju. Poleg tega so nekateri antipartikli že bili odkriti ali napovedani. Stanje ostaja nejasno samo muons ki nastajajo med razpadom pione v plinskih sevalcih in nato prehod na nevtrini, elektronov ali pozitrona. Fiziki niso razumeli, zakaj to vmesna postaja.

Žal, toda preprost in nezahteven model ni preživel trenutka, ko so odkrili pionirje. Leta 1947 sta dva angleška fizika, George Rochester in Clifford Butler, objavila zanimiv članek v znanstveni reviji Nature. Material za njo je bila študija kozmičnih žarkov z oblak komoro, v katerem so prejeli radovedne informacije. Na eni od fotografij, posnetih med opazovanjem, je bil jasno viden par skladb s skupnim začetkom. Ker je neskladje spominjalo na latinsko V, je takoj postalo jasno - polnjenje teh delcev je definitivno drugačno.

Znanstveniki so takoj domnevali, da te sledi kažejo na dejstvo razpada neke neznane delčke, ki ni pustila zaostalih sledi. Izračuni so pokazali, da njegova masa znaša približno 500 MeV, kar je veliko večje od te vrednosti za elektron. Seveda so raziskovalci svoje odkritje imenovali V-delec. Vendar pa še ni bil kvark. Ta delec je še vedno čakal na uro.

Vse se šele začenja

Od tega odkritja se je vse začelo. Leta 1949 so pod enakimi pogoji odkrili sled delca, kar je povzročilo tri pionike hkrati. Kmalu se je izkazalo, da je ona, kot tudi V-delec, povsem drugačna predstavnika družine, sestavljena iz štirih delcev. Kasneje so jih imenovali K-mezoni (kaons).

Par, ki se zaračunavajo kaons imajo maso 494 MeV, in v primeru nevtralnega brezplačno - 498 MeV. Mimogrede, leta 1947, so imeli znanstveniki srečo, da zajame samo na enak zelo redkih primerih pozitiven Kaon razpade, vendar v tistem času, ko so le niso mogli pravilno interpretirati sliko. Kljub temu, da je popolnoma pošteno, da je dejansko bil prvi Opazovanje Kaon je že leta 1943, vendar je informacija o tem je skoraj izgubila v ozadju številnih povojnih znanstvenih publikacij.

Nove čudake

In nadaljnji znanstveniki so čakali na več odkritij. Leta 1950 in 1951 so raziskovalci na univerzi v Manchestru in Melbournu našli delce veliko težje kot protoni in nevtroni. Še enkrat ni bilo zadosti, ampak se je razkosalo v proton in peony. Slednji je, kot je razumel, negativen. Nov delec je bil označen s pismom Lambda- (lambda).

Več časa je minilo, več vprašanj so znanstveniki imeli. Problem je bil, da so se novi delci pojavili izključno v močnih atomskih interakcijah, ki se hitro razpadajo v znane protone in nevtrone. Poleg tega so se vedno pojavljali v parih, nikoli ni bilo nobenih posameznih manifestacij. Zato je skupina fizikov iz Združenih držav Amerike in Japonske predlagala uporabo novega kvantnega števila v svojem opisu - straničnost. Po svoji definiciji je bila nenavadnost vseh drugih znanih delcev enaka nič.

Nadaljnje raziskave

Preboj v raziskavah se je zgodil šele po nastanku nove sistematizacije atronov. Najpomembnejša oseba v tem je bil izraelski Yuval Neemann, ki je kariero izvrstnega vojaka spremenil na enako briljantno pot znanstvenika.

Opozoril je na dejstvo, da se mezoni in barioni, odkriti do takrat, razpadejo in tvorijo skupek povezanih delcev, množil. Člani vsakega takega združenja imajo popolnoma enako stranico, vendar nasproti električnim nabojem. Ker resnično močne jedrske interakcije iz električnih nabojev sploh niso odvisne, v vsem drugem delu, delci iz večplastnega videza so kot popolni dvojčki.

Znanstveniki so predlagali, da je kakšna naravna simetrija odgovorna za pojav takšnih formacij, ki so jo kmalu uspeli najti. Izkazalo se je, da je preprosta generalizacija skupine spin SU (2), za katero so znanstveniki po vsem svetu opisovali kvantne številke. Toda šele takrat je bilo že znanih 23 hadronov, njihovi hrbti pa so bili enaki 0, frac12- ali celotne enote, zato takšne razvrstitve ni bilo mogoče uporabiti.

Zato smo morali za klasifikacijo uporabiti dve kvantni številki, kar je znatno povečalo razvrstitev. Tako se je pojavila skupina SU (3), ki jo je na začetku stoletja ustvaril francoski matematik Eli Cartan. Za določitev sistematičnega položaja vsake delce v njem so znanstveniki razvili raziskovalni program. Kasko je nato preprosto vstopil v sistematično serijo, ki je potrdila absolutno pravilnost strokovnjakov.

Nove kvantne številke

Tako so se znanstveniki približali ideji o uporabi abstraktnih kvantnih števil, ki so postali hiperpunjen in izotopski spin. Vendar pa z enakim uspehom lahko vzamete stranico in električno energijo. Ta shema je bila pogojno imenovana Osemkratna pot. To je analogija s budizmom, kjer je potrebno doseči tudi osem ravni, da bi dosegli nirvano. Vendar je vse to besedilo.

Neemann in njegov kolega Gell-Mann sta objavila svoja dela leta 1961, število znanih mezonov pa ne presega sedem. Toda v svojih delih raziskovalci niso obotavljali, da bi omenili visoko verjetnost obstoja osmega mesona. V istem letu 1961 je bila njihova teorija briljantno potrjena. Najdeno delec se imenuje ta-meson (grško pismo eta-).

Nadaljnje ugotovitve in eksperimenti z briljantnostjo so potrdili absolutno pravilnost klasifikacije SU (3). Ta okoliščina je postala močna spodbuda za raziskovalce, ki so ugotovili, da so na pravi poti. Tudi sam Gell-Mann ni dvomil, da so v naravi obstajali kvarki. Mnenja o njegovi teoriji niso bili zelo pozitivni, a znanstvenik je bil prepričan v svojo pravičnost.

Tukaj so kvarki!

Kmalu je bil objavljen članek "Shematski model barionov in mezonov". V njem so lahko znanstveniki nadalje razvili idejo sistematizacije, ki se je izkazala za tako koristno. Ugotovili so, da SU (3) popolnoma dopušča obstoj celotnih trojčkov fermionov, katerih električni naboj se spreminja od 2/3 do 1/3 in -1/3, v tripletu pa se en delec odlikuje z ničenčno stranjo. Gell-Mann nam je že znano, da so ti "elementarni kvarkovi delci."

Po obtožbah jih je označil kot u, d in s (od angleških besed gor, dol in čuden). V skladu z novo shemo je vsak baryon tvorjen s tremi kvarki hkrati. Mesoni so veliko enostavnejši. Vključujejo en kvark (to pravilo je nepremostljivo) in antiquark. Šele takrat se je znanstvena skupnost začela zavedati obstoja teh delcev, katerim je namenjen naš članek.

Malo več ozadja

Ta članek, ki je večinoma vnaprej določil razvoj fizike v prihodnjih letih, ima precej radovednega ozadja. Gell-Mann je razmišljal o obstoju takih trojic že pred objavo, vendar z nikomer ni razpravljal o svojih predpostavkah. Dejstvo je, da so njegove predpostavke o obstoju delcev, ki imajo delno naboj, videti kot neumnost. Vendar pa je po pogovoru z izvrstnim teoretičnim fizikom Robertom Serberjem izvedel, da je njegov kolega izdelal popolnoma enake sklepe.

Poleg tega je znanstvenik edini pravilen zaključek: obstoj takšnih delcev je mogoč le, če niso prosti fermioni, temveč so del atronov. Konec koncev, v tem primeru njihovi stroški predstavljajo eno samo celoto! Sprva jih je Gell-Man poklical in jih celo omenil v MTI, vendar je bil odziv učencev in učiteljev zelo majhen. Zato je znanstvenik dolgo časa razmišljal o tem, ali naj svoje raziskave opravi na javnem sodišču.

Sama beseda "quark" (ta zvok, ki spominja na krike rac) je vzet iz dela Jamesa Joycea. Čuden, kot se morda zdi, je ameriški znanstvenik poslal članek v prestižni evropski znanstveni časopis Physics Letters, saj se je resno bali, da uredništvo podobne ameriške izdaje fizičnih preglednih pisem ne bi sprejelo za objavo. Mimogrede, če želite pogledati vsaj kopijo tega članka - imate direktno pot do istega muzeja v Berlinu. Kvarkovi v svoji ekspoziciji niso na voljo, vendar je popolna zgodovina njihovega odkritja (natančneje, dokumentarni dokazi).

Začetek revolucije kvarkov

Zaradi pravičnosti je treba omeniti, da je podobno misel prišla tudi znanstvenik iz CERN-a, George Zweig. Sprva je bil njegov mentor sam Gell-Mann, potem pa Richard Feynman. Zweig je tudi določil resničnost obstoja fermionov, ki so imeli delne obremenitve, jih samo imenovali asovi. Poleg tega nadarjeni fizik tudi barioni šteje kot trojček kvarkov in mesoni - kot kombinacija kvarka in antiquarka.

Preprosto povedano, je študent popolnoma ponovil zaključke svojega učitelja in povsem ločen od njega. Njegovo delo se je pojavilo celo nekaj tednov pred objavo Manna, vendar le kot "priprave na dom" inštituta. Vendar pa je bila prisotnost dveh neodvisnih dokumentov, katerih zaključki so bili skoraj identični, takoj prepričali nekatere znanstvenike o zvestobi predlagane teorije.

Od zavrnitve do zaupanja

Toda mnogi raziskovalci so to teorijo sprejeli daleč od nemudoma. Da, novinarji in teoretiki so se hitro zaljubili v njo zaradi jasnosti in preprostosti, toda resni fiziki so to sprejeli šele po 12 letih. Ne krivite jih zaradi pretiranega konzervativizma. Dejstvo je, da je na začetku teorija kvarkov močno nasprotovala Paulijevemu načelu, ki smo ga omenili že na samem začetku članka. Če predpostavimo, da proton vsebuje par u-kvarkov in en d d kvark, potem mora biti prvi strogo v istem kvantnem stanju. Po Pauliju je to nemogoče.

Takrat se je pojavilo dodatno kvantno število, izraženo v obliki barve (ki smo jo omenili tudi zgoraj). Poleg tega je bilo popolnoma nerazumljivo, kako na splošno elementarni delci kvarkov medsebojno delujejo, zakaj se njihove proste vrste ne pojavljajo. Vse te skrivnosti so pripomogle k razkritju Teorije polimerov, ki so se "spomnile" šele sredi sedemdesetih let. Ob približno istem času je bila v njej organsko vključena teorija kvarkov atronov.

Ampak najostrejši razvoj teorije je popolna odsotnost vsaj nekaterih eksperimentalnih eksperimentov, ki bi potrdili tako sam obstoj kot interakcijo kvarkov med seboj in z drugimi delci. In postopoma so se začeli pojavljati šele iz poznih šestdesetih, ko je hiter razvoj tehnologije omogočil izvesti preizkus z "prosvetivaniyu" protonomov elektronskih tokov. Ti poskusi so omogočili dokazovanje, da so se nekateri delci, ki so bili prvotno imenovani partoni, resnično "skrivajo" znotraj protona. Kasneje pa smo bili prepričani, da to ni nič drugega kot pravi kvark, vendar se to ni zgodilo do konca leta 1972.

Eksperimentalna potrditev

Seveda je bilo za končno prepričanje znanstvene skupnosti potrebno veliko več eksperimentalnih podatkov. Leta 1964 sta James Bjorken in Sheldon Glashow (prihodnji Nobelov nagrajenec, mimogrede) predlagal, čeprav lahko pride do četrte kvarkovski vrste, ki so poimenovani Charmed (Charmed).

Zahvaljujoč tej hipotezi, da so znanstveniki leta 1970 lahko razložili številne čudnosti, ki so jih opazili pri razpadu nevtralnih kaonov. Štiri leta kasneje sta dve neodvisni skupini ameriških fizikov uspeli odpraviti razpad mezona, ki je vključeval samo en "očarani" kvark in njegov antiquark. Ni presenetljivo, da je bil ta dogodek takoj imenovan novembra revolucije. Prvič je teorija kvarkov dobila bolj ali manj "jasno" potrditev.

Pomembnost odkritja kaže na dejstvo, da so vodje projektov Samuel Ting in Barton Richter dve leti kasneje prejeli svojo Nobelovo nagrado: ta dogodek se odraža v številnih člankah. Nekatere od njih si lahko ogledate v izvirniku, če obiščete New York Science Museum. Kvarki, kot smo že povedali, so izredno pomembna odkritja modernosti, zato jim je v znanstveni skupnosti veliko pozornosti namenjena.

Zadnji argument

Šele leta 1976 so raziskovalci še vedno našli en delec z nenavadnim šarmom, nevtralnim D-mesonom. To je precej zapletena kombinacija enega očaranega kvarka in u-antiquarka. Tukaj so bili celo utrjeni nasprotniki obstoja kvarkov prisiljeni prepoznati pravilnost teorije, ki je bila prvič opisana pred več kot dvema desetletjema. Eden od najbolj znanih teoretičnih fizikov, John Ellis, je imenoval čar "vzvod, ki je obrnil svet".

Kmalu je na seznam novih odkritij vstopil še nekaj zelo velikih kvarkov, na vrhu in na dnu, ki bi se lahko zlahka povezali s sistematizacijo SU (3), ki je bila že takrat sprejeta. V zadnjih letih znanstveniki pravijo, da obstajajo tako imenovani tetrakvarki, ki so jih nekateri znanstveniki že poimenovali "hadronske molekule".

Nekaj ​​sklepov in sklepov

Razumeti moramo, da se odkritje in znanstvena utemeljitev obstoja kvarkov resnično lahko štejeta za znanstveno revolucijo. Začetek se lahko šteje za leto 1947 (načeloma, 1943), konec pa je odkritje prve "očarane" mezone. Izkazalo se je, da je trajanje zadnjega odkritja za takšno raven kar 29 let (ali celo 32 let)! In ves ta čas je bil porabljen ne le zaradi iskanja kvarkov! Gluonska plazma kot glavni predmet v vesolju je kmalu privabila veliko več pozornosti znanstvenikov.

Vendar pa postane zahtevnejše področje študija, več časa je potrebno za resnično pomembna odkritja. In kar se tiče delcev, o katerih razpravljamo, ne moremo podcenjevati niti pomembnosti takšnega izuma. Ko proučuje strukturo kvarkov, lahko človek prodre globlje v skrivnosti vesolja. Možno je, da bomo šele po popolni študiji o njih lahko ugotovili, kako se je odvijala velika eksplozija in po katerih zakonih se razvija naš Univerzum. V vsakem primeru je bilo njihovo odkritje, ki je omogočilo prepričati veliko fizikov, da je resničnost, ki nas obdaja, veliko bolj zapletena od starih idej.

Torej ste ugotovili, kaj je kvark. Ta delec v svojem času je v znanstvenem svetu veliko hrupa, še danes pa so raziskovalci polni upanja, da bodo končno razkrili vse svoje skrivnosti.