Net 'n jaar gelede het Peter Higgs en François Engler die Nobelprys ontvang vir hul werk oor subatomiese deeltjies. Dit mag dalk belaglik lyk, maar wetenskaplikes het hul ontdekkings 'n halfeeu gelede gemaak, maar tot nou toe is daar geen groot belang aan hulle gegee nie.
In 1964 het nog twee talentvolle fisici ook na vore gekom met hul innoverende teorie. Sy het aanvanklik ook amper geen aandag getrek nie. Dit is vreemd, aangesien sy die struktuur van hadrone beskryf het, waarsonder geen sterk interatomiese interaksie moontlik is nie. Dit was die kwark-teorie.
Wat is dit?
Terloops, wat is 'n kwark? Dit is een van die belangrikste komponente van die hadron. Belangrik! Hierdie deeltjie het 'n "halwe" spin, in werklikheid 'n fermion. Afhangende van die kleur (meer daaroor hieronder), kan die lading van 'n kwark gelyk wees aan een-derde of twee-derdes van dié van 'n proton. Wat kleure betref, is daar ses van hulle (generasies van kwarke). Hulle is nodig sodat die Pauli-beginsel nie geskend word nie.
Basiesbesonderhede
In die samestelling van hadrone is hierdie deeltjies op 'n afstand geleë wat nie die inperkingswaarde oorskry nie. Dit word eenvoudig verduidelik: hulle ruil vektore van die meterveld uit, dit wil sê gluone. Hoekom is die kwark so belangrik? Gluonplasma (versadig met kwarke) is die toestand van materie waarin die hele heelal onmiddellik na die oerknal geleë was. Gevolglik is die bestaan van kwarke en gluone 'n direkte bevestiging dat hy werklik was.
Hulle het ook hul eie kleur, en daarom skep hulle tydens die beweging hul virtuele kopieë. Gevolglik, soos die afstand tussen kwarke toeneem, neem die krag van interaksie tussen hulle aansienlik toe. Soos jy dalk kan raai, op 'n minimum afstand verdwyn die interaksie feitlik (asimptotiese vryheid).
Enige sterk interaksie in hadrone word dus verklaar deur die oorgang van gluone tussen kwarke. As ons praat oor interaksies tussen hadrone, dan word hulle verklaar deur die oordrag van pi-meson resonansie. Eenvoudig gestel, indirek, alles kom weer neer op die uitruil van gluone.
Hoeveel kwarks is in nukleone?
Elke neutron bestaan uit 'n paar d-kwarke, en selfs 'n enkele u-kwark. Elke proton, inteendeel, bestaan uit 'n enkele d-kwark en 'n paar u-kwarke. Terloops, letters word toegeken na gelang van kwantumgetalle.
Kom ons verduidelik. Byvoorbeeld, beta-verval word presies verklaar deur die transformasie van een van dieselfde tipe kwarke in die samestelling van die nukleon na 'n ander. Om dit duideliker te maak, kan hierdie proses as 'n formule soos volg geskryf word: d=u + w (dit is neutronverval). Onderskeidelik,proton word geskryf deur 'n effens ander formule: u=d + w.
Terloops, dit is laasgenoemde proses wat die konstante vloei van neutrino's en positrone uit groot sterreswerms verklaar. Dus, op die skaal van die heelal, is daar min deeltjies so belangrik soos die kwark: gluonplasma, soos ons reeds gesê het, bevestig die feit van die oerknal, en studies van hierdie deeltjies laat wetenskaplikes toe om die wese van die wêreld waarin ons leef.
Wat is kleiner as 'n kwark?
Terloops, waaruit bestaan kwarks? Hul samestellende deeltjies is preons. Hierdie deeltjies is baie klein en word swak verstaan, sodat selfs vandag nog nie veel daaroor bekend is nie. Dis wat kleiner as 'n kwark is.
Waar kom hulle vandaan?
Tot op datum, die mees algemene twee hipoteses van die vorming van preons: snaarteorie en Bilson-Thompson-teorie. In die eerste geval word die voorkoms van hierdie deeltjies verklaar deur snaar ossillasies. Die tweede hipotese stel voor dat hul voorkoms veroorsaak word deur 'n opgewonde toestand van ruimte en tyd.
Interessant genoeg, in die tweede geval kan die verskynsel volledig beskryf word deur die matriks van parallelle oordrag langs die kurwes van die spinnetwerk te gebruik. Die eienskappe van hierdie einste matriks bepaal vooraf dié vir die preon. Dit is waarvan kwarke gemaak word.
Om 'n paar resultate op te som, kan ons sê dat kwarks 'n soort "kwanta" is in die samestelling van hadrone. Beïndruk? En nou sal ons praat oor hoe die kwark in die algemeen ontdek is. Dit is 'n baie interessante verhaal, wat boonop sommige van die nuanses wat hierbo beskryf is volledig openbaar.
Vreemde deeltjies
Onmiddellik na die einde van die Tweede Wêreldoorlog het wetenskaplikes aktief begin om die wêreld van subatomiese deeltjies te verken, wat tot toe primitief eenvoudig gelyk het (volgens daardie idees). Protone, neutrone (nukleone) en elektrone vorm 'n atoom. In 1947 is pioene ontdek (en hul bestaan is al in 1935 voorspel), wat verantwoordelik was vir die wedersydse aantrekking van nukleone in die kern van atome. Meer as een wetenskaplike uitstalling is op een slag aan hierdie geleentheid gewy. Quarks was nog nie ontdek nie, maar die oomblik van aanval op hul "spoor" het nader gekom.
Neutrino's was teen daardie tyd nog nie ontdek nie. Maar hul oënskynlike belangrikheid in die verklaring van die beta-verval van atome was so groot dat wetenskaplikes min twyfel oor hul bestaan gehad het. Daarbenewens is sommige teendeeltjies reeds opgespoor of voorspel. Die enigste ding wat onduidelik gebly het, was die situasie met muone, wat tydens die verval van pioene gevorm is en daarna in die toestand van 'n neutrino, elektron of positron oorgegaan het. Fisici het glad nie verstaan waarvoor hierdie tussenstasie was nie.
Ai, so 'n eenvoudige en pretensielose model het nie lank die oomblik van ontdekking van pioene oorleef nie. In 1947 het twee Engelse fisici, George Rochester en Clifford Butler, 'n interessante artikel in die wetenskaplike tydskrif Nature gepubliseer. Die materiaal daarvoor was hul studie van kosmiese strale deur middel van 'n wolkkamer, waartydens hulle nuuskierige inligting bekom het. Op een van die foto's wat tydens die waarneming geneem is, was 'n paar spore met 'n gemeenskaplike begin duidelik sigbaar. Aangesien die teenstrydigheid soos die Latynse V gelyk het, het dit dadelik duidelik geword– die lading van hierdie deeltjies is beslis anders.
Wetenskaplikes het dadelik aangeneem dat hierdie spore die feit aandui van die verval van een of ander onbekende deeltjie, wat geen ander spore gelaat het nie. Berekeninge het getoon dat die massa daarvan ongeveer 500 MeV is, wat baie groter is as hierdie waarde vir 'n elektron. Natuurlik het die navorsers hul ontdekking die V-deeltjie genoem. Dit was egter nog nie 'n kwark nie. Hierdie deeltjie het nog in die vlerke gewag.
Dit begin net
Dit het alles begin met hierdie ontdekking. In 1949, onder dieselfde omstandighede, is 'n spoor van 'n deeltjie ontdek, wat aanleiding gegee het tot drie pions op een slag. Dit het gou duidelik geword dat sy, sowel as die V-deeltjie, heeltemal verskillende verteenwoordigers is van 'n familie wat uit vier deeltjies bestaan. Daarna is hulle K-mesons (kaons) genoem.
'n Paar gelaaide kaons het 'n massa van 494 MeV, en in die geval van 'n neutrale lading - 498 MeV. Terloops, in 1947 was wetenskaplikes gelukkig genoeg om net dieselfde baie seldsame geval van die verval van 'n positiewe kaon vas te vang, maar op daardie tydstip kon hulle eenvoudig nie die beeld korrek interpreteer nie. Om egter heeltemal regverdig te wees, is die eerste waarneming van die kaon in 1943 gemaak, maar inligting hieroor het amper verlore geraak teen die agtergrond van talle na-oorlogse wetenskaplike publikasies.
Nuwe weirdness
En toe het nog ontdekkings op wetenskaplikes gewag. In 1950 en 1951 het navorsers van die Universiteit van Manchester en Melnburg daarin geslaag om deeltjies baie swaarder as protone en neutrone te vind. Dit het weer geen lading gehad nie, maar het in 'n proton en 'n pion verval. Laasgenoemde, soos verstaan kan word,negatiewe lading. Die nuwe deeltjie is Λ (lambda) genoem.
Hoe meer tyd verloop, hoe meer vrae het wetenskaplikes gehad. Die probleem was dat nuwe deeltjies uitsluitlik uit sterk atoominteraksies ontstaan het, wat vinnig tot die bekende protone en neutrone verval het. Daarbenewens het hulle altyd in pare verskyn, daar was nooit enkele manifestasies nie. Dit is hoekom 'n groep fisici van die VSA en Japan voorgestel het om 'n nuwe kwantumgetal - vreemdheid - in hul beskrywing te gebruik. Volgens hul definisie was die vreemdheid van alle ander bekende deeltjies nul.
Verdere navorsing
Die deurbraak in navorsing het eers plaasgevind ná die ontstaan van 'n nuwe sistematisering van hadrone. Die mees prominente figuur hierin was die Israeli Yuval Neaman, wat die loopbaan van 'n uitstaande militêre man verander het na 'n ewe briljante pad van 'n wetenskaplike.
Hy het opgemerk dat die mesone en barione wat teen daardie tyd ontdek is, verval en 'n groep verwante deeltjies, veelvoude vorm. Die lede van elke so 'n vereniging het presies dieselfde vreemdheid, maar teenoorgestelde elektriese ladings. Aangesien werklik sterk kerninteraksies glad nie van elektriese ladings afhanklik is nie, lyk die deeltjies van die veelvoud in alle ander opsigte soos perfekte tweeling.
Wetenskaplikes het voorgestel dat 'n mate van natuurlike simmetrie verantwoordelik is vir die voorkoms van sulke formasies, en gou het hulle daarin geslaag om dit te vind. Dit het geblyk 'n eenvoudige veralgemening te wees van die SU(2)-spingroep, wat wetenskaplikes regoor die wêreld gebruik het om kwantumgetalle te beskryf. Hierslegs teen daardie tyd was 23 hadrone reeds bekend, en hul spins was gelyk aan 0, ½ of 'n heelgetaleenheid, en daarom was dit nie moontlik om so 'n klassifikasie te gebruik nie.
Gevolglik moes twee kwantumgetalle gelyktydig vir klassifikasie gebruik word, waardeur die klassifikasie aansienlik uitgebrei is. Só het die groep SU(3) verskyn wat aan die begin van die eeu deur die Franse wiskundige Elie Cartan geskep is. Om die sistematiese posisie van elke deeltjie daarin te bepaal, het wetenskaplikes 'n navorsingsprogram ontwikkel. Die kwark het daarna maklik die sistematiese reeks betree, wat die absolute korrektheid van die kenners bevestig het.
Nuwe kwantumgetalle
Wetenskaplikes het dus met die idee vorendag gekom om abstrakte kwantumgetalle te gebruik, wat hiperlading en isotopiese spin geword het. Vreemdheid en elektriese lading kan egter met dieselfde sukses geneem word. Hierdie skema is konvensioneel die Agtvoudige Pad genoem. Dit vang die analogie met Boeddhisme vas, waar jy ook deur agt vlakke moet gaan voordat jy nirvana bereik. Dit alles is egter lirieke.
Neeman en sy kollega, Gell-Mann, het hul werk in 1961 gepubliseer, en die aantal mesone wat toe bekend was, was nie meer as sewe nie. Maar in hul werk was die navorsers nie bang om die hoë waarskynlikheid van die bestaan van die agtste meson te noem nie. In dieselfde 1961 is hul teorie briljant bevestig. Die gevind deeltjie is genoem eta meson (Griekse letter η).
Verdere bevindinge en eksperimente met helderheid het die absolute korrektheid van die US(3)-klassifikasie bevestig. Hierdie omstandigheid het kragtig geword'n aansporing vir navorsers wat gevind het dat hulle op die regte pad is. Selfs Gell-Mann self het nie meer getwyfel dat kwarke in die natuur bestaan nie. Resensies oor sy teorie was nie te positief nie, maar die wetenskaplike was seker dat hy reg was.
Hier is die kwarke
Binnekort is die artikel "Skematiese model van barione en mesone" gepubliseer. Daarin kon wetenskaplikes die idee van sistematisering verder ontwikkel, wat so nuttig blyk te wees. Hulle het gevind dat SU(3) nogal die bestaan toelaat van hele drieling fermione, waarvan die elektriese lading wissel van 2/3 tot 1/3 en -1/3, en in die drieling het een deeltjie altyd nie-nul vreemdheid. Gell-Mann, wat reeds aan ons bekend is, het hulle "elementêre kwarkdeeltjies" genoem.
Volgens die aanklagte het hy hulle aangewys as u, d en s (van die Engelse woorde up, down en strange). In ooreenstemming met die nuwe skema word elke barion deur drie kwarks gelyktydig gevorm. Mesons is baie eenvoudiger. Dit sluit een kwark in (hierdie reël is onwrikbaar) en 'n antikwark. Eers daarna het die wetenskaplike gemeenskap bewus geword van die bestaan van hierdie deeltjies, waaraan ons artikel gewy is.
'n Bietjie meer agtergrond
Hierdie artikel, wat die ontwikkeling van fisika vir die komende jare grootliks vooraf bepaal het, het 'n taamlik eienaardige agtergrond. Gell-Mann het lank voor die publikasie daarvan nagedink oor die bestaan van hierdie soort drieling, maar sy aannames met niemand bespreek nie. Die feit is dat sy aannames oor die bestaan van deeltjies met 'n fraksionele lading na onsin gelyk het. Nadat hy egter met die vooraanstaande teoretiese fisikus Robert Serber gepraat het, het hy verneem dat sy kollegapresies dieselfde gevolgtrekkings gemaak.
Boonop het die wetenskaplike die enigste korrekte gevolgtrekking gemaak: die bestaan van sulke deeltjies is slegs moontlik as hulle nie vrye fermione is nie, maar deel van hadrone is. Inderdaad, in hierdie geval vorm hul aanklagte 'n enkele geheel! Gell-Mann het hulle eers kwarke genoem en selfs by MTI genoem, maar die reaksie van studente en onderwysers was baie terughoudend. Daarom het die wetenskaplike baie lank gedink of hy sy navorsing aan die publiek moet voorlê.
Die einste woord "quark" ('n klank wat herinner aan die gehuil van eende) is geneem uit die werk van James Joyce. Vreemd genoeg, maar die Amerikaanse wetenskaplike het sy artikel aan die gesogte Europese wetenskaplike tydskrif Physics Letters gestuur, aangesien hy ernstig gevrees het dat die redakteurs van die Amerikaanse uitgawe van Physical Review Letters, soortgelyk in terme van vlak, dit nie vir publikasie sou aanvaar nie. Terloops, as jy ten minste na 'n kopie van daardie artikel wil kyk, het jy 'n direkte pad na dieselfde Berlynse Museum. Daar is geen kwarke in sy uiteensetting nie, maar daar is 'n volledige geskiedenis van hul ontdekking (meer presies, dokumentêre bewyse).
Begin van die Quark-revolusie
Om eerlik te wees, moet daarop gelet word dat 'n wetenskaplike van CERN, George Zweig, amper op dieselfde tyd tot 'n soortgelyke idee gekom het. Eers was Gell-Mann self sy mentor, en toe Richard Feynman. Zweig het ook die realiteit van die bestaan van fermione wat fraksionele ladings gehad het, bepaal, dit net ase genoem. Boonop het die talentvolle fisikus ook barione as 'n trio van kwarke beskou, en mesone as 'n kombinasie van kwarke.en antikwark.
Eenvoudig gestel, die student het die gevolgtrekkings van sy onderwyser heeltemal herhaal, en heeltemal geskei van hom. Sy werk het selfs 'n paar weke voor Mann se publikasie verskyn, maar slegs as 'n "tuisgemaakte" werk van die instituut. Dit was egter die teenwoordigheid van twee onafhanklike werke, waarvan die gevolgtrekkings byna identies was, wat sommige wetenskaplikes onmiddellik oortuig het van die korrektheid van die voorgestelde teorie.
Van verwerping tot vertroue
Maar baie navorsers het hierdie teorie ver van onmiddellik aanvaar. Ja, joernaliste en teoretici het vinnig verlief geraak daarop vir sy helderheid en eenvoud, maar ernstige fisici het dit eers ná 12 jaar aanvaar. Moenie hulle kwalik neem dat hulle te konserwatief is nie. Die feit is dat die teorie van kwarks aanvanklik die Pauli-beginsel, wat ons heel aan die begin van die artikel genoem het, skerp weerspreek het. As ons aanneem dat 'n proton 'n paar u-kwarke en 'n enkele d-kwark bevat, moet eersgenoemde streng in dieselfde kwantumtoestand wees. Volgens Pauli is dit onmoontlik.
Dit is toe dat 'n bykomende kwantumgetal verskyn het, uitgedruk as 'n kleur (wat ons ook hierbo genoem het). Daarbenewens was dit heeltemal onverstaanbaar hoe elementêre deeltjies van kwarke in die algemeen met mekaar in wisselwerking tree, waarom hul vrye variëteite nie voorkom nie. Al hierdie geheime is grootliks gehelp om te ontrafel deur die Theory of Gauge Fields, wat eers in die middel-70's "in gedagte gebring is". Ongeveer dieselfde tyd is die kwark-teorie van hadrone organies daarby ingesluit.
Maar bowenal is die ontwikkeling van die teorie teruggehou deur die algehele afwesigheid van ten minste 'n paar eksperimentele eksperimente,wat sowel die bestaan as die interaksie van kwarks met mekaar en met ander deeltjies sou bevestig. En hulle het geleidelik eers vanaf die einde van die 60's begin verskyn, toe die vinnige ontwikkeling van tegnologie dit moontlik gemaak het om 'n eksperiment uit te voer met die "oordrag" van protone deur elektronstrome. Dit was hierdie eksperimente wat dit moontlik gemaak het om te bewys dat sommige deeltjies werklik “weggesteek” is in die protone, wat oorspronklik partone genoem is. Daarna was hulle nietemin oortuig dat dit niks meer as 'n ware kwark was nie, maar dit het eers aan die einde van 1972 gebeur.
Eksperimentele bevestiging
Natuurlik was baie meer eksperimentele data nodig om die wetenskaplike gemeenskap uiteindelik te oortuig. In 1964 het James Bjorken en Sheldon Glashow (die toekomstige Nobelpryswenner, terloops) voorgestel dat daar dalk ook 'n vierde soort kwark is, wat hulle bekoorlik genoem het.
Dit was te danke aan hierdie hipotese dat wetenskaplikes reeds in 1970 baie van die eienaardighede wat tydens die verval van neutraal gelaaide kaons waargeneem is, kon verduidelik. Vier jaar later het twee onafhanklike groepe Amerikaanse fisici gelyktydig daarin geslaag om die verval van die meson, wat net een "bekoorlike" kwark ingesluit het, sowel as sy antikwark reg te stel. Dit is nie verbasend dat hierdie gebeurtenis onmiddellik die November-rewolusie gedoop is nie. Vir die eerste keer het die teorie van kwarke min of meer "visuele" bevestiging gekry.
Die belangrikheid van die ontdekking word bewys deur die feit dat die projekleiers, Samuel Ting en Barton Richter, reeds deurhet hul Nobelprys vir twee jaar aanvaar: hierdie gebeurtenis word in baie artikels weerspieël. Jy kan sommige van hulle in die oorspronklike sien as jy die New York Museum of Natural Science besoek. Quarks, soos ons reeds gesê het, is 'n uiters belangrike ontdekking van ons tyd, en daarom word daar baie aandag aan hulle gegee in die wetenskaplike gemeenskap.
Laaste argument
Dit was eers in 1976 dat navorsers wel een deeltjie gevind het met nie-nul sjarme, die neutrale D-meson. Dit is 'n redelik komplekse kombinasie van een bekoorde kwark en 'n u-antikwark. Hier is selfs geharde teenstanders van die bestaan van kwarks gedwing om die korrektheid van die teorie te erken, wat die eerste keer meer as twee dekades gelede gestel is. Een van die bekendste teoretiese fisici, John Ellis, het sjarme "die hefboom wat die wêreld omgedraai het" genoem.
Binnekort het die lys van nuwe ontdekkings 'n paar besonder massiewe kwarks, bo en onder, ingesluit, wat maklik gekorreleer kon word met die US(3)-sistematisering wat op daardie stadium reeds aanvaar is. In onlangse jare het wetenskaplikes gepraat oor die bestaan van sogenaamde tetraquarks, wat sommige wetenskaplikes reeds "hadron-molekules" gedoop het.
Sommige gevolgtrekkings en gevolgtrekkings
Jy moet verstaan dat die ontdekking en wetenskaplike regverdiging vir die bestaan van kwarks inderdaad veilig as 'n wetenskaplike revolusie beskou kan word. Dit kan die jaar 1947 (in beginsel 1943) as sy begin beskou word, en sy einde val op die ontdekking van die eerste "betowerde" meson. Dit blyk dat die duur van die laaste ontdekking van hierdie vlak tot op hede, nie minder nie, soveel as 29 jaar (of selfs 32 jaar) is! En dit allestyd is nie net bestee om die kwark te vind nie! As die oervoorwerp in die heelal het gluonplasma gou baie meer aandag van wetenskaplikes getrek.
Hoe meer kompleks die studiegebied word, hoe meer tyd neem dit om werklik belangrike ontdekkings te maak. Wat die deeltjies betref wat ons bespreek, kan niemand die belangrikheid van so 'n ontdekking onderskat nie. Deur die struktuur van kwarks te bestudeer, sal 'n persoon dieper in die geheime van die heelal kan binnedring. Dit is moontlik dat ons eers na 'n volledige studie van hulle sal kan uitvind hoe die oerknal gebeur het en volgens watter wette ons Heelal ontwikkel. Dit was in elk geval hul ontdekking wat dit moontlik gemaak het om baie fisici te oortuig dat die werklikheid rondom ons baie meer ingewikkeld is as vorige idees.
So jy het geleer wat 'n kwark is. Hierdie deeltjie het op 'n tyd baie geraas in die wetenskaplike wêreld gemaak, en vandag is navorsers vol hoop om uiteindelik al sy geheime te openbaar.
