Cu doar un an în urmă, Peter Higgs și François Engler au primit Premiul Nobel pentru munca lor asupra particulelor subatomice. Poate părea ridicol, dar oamenii de știință și-au făcut descoperirile în urmă cu jumătate de secol, dar până acum nu li s-a acordat o importanță deosebită.
În 1964, încă doi fizicieni talentați au prezentat teoria lor inovatoare. La început, ea nu a atras aproape deloc atenția. Acest lucru este ciudat, deoarece ea a descris structura hadronilor, fără de care nu este posibilă o interacțiune interatomică puternică. A fost teoria cuarcilor.
Ce este asta?
Apropo, ce este un quarc? Aceasta este una dintre cele mai importante componente ale hadronului. Important! Această particulă are un spin „jumătate”, fiind de fapt un fermion. În funcție de culoare (mai multe despre cea de mai jos), sarcina unui quarc poate fi egală cu o treime sau două treimi din cea a unui proton. În ceea ce privește culorile, există șase dintre ele (generații de quarci). Sunt necesare pentru ca principiul Pauli să nu fie încălcat.
De bazădetalii
În compoziția hadronilor, aceste particule sunt situate la o distanță care nu depășește valoarea de izolare. Acest lucru este explicat simplu: ei schimbă vectori ai câmpului gauge, adică gluoni. De ce este quarcul atât de important? Plasma gluonică (saturată cu quarci) este starea materiei în care întreg universul a fost situat imediat după Big Bang. În consecință, existența quarcilor și gluonilor este o confirmare directă că el a fost cu adevărat.
Au și propria lor culoare și, prin urmare, în timpul mișcării, își creează copiile virtuale. În consecință, pe măsură ce distanța dintre quarci crește, forța de interacțiune dintre ei crește semnificativ. După cum ați putea ghici, la o distanță minimă, interacțiunea practic dispare (libertate asimptotică).
Astfel, orice interacțiune puternică în hadroni se explică prin tranziția gluonilor între quarci. Dacă vorbim despre interacțiunile dintre hadroni, atunci ele sunt explicate prin transferul rezonanței pi-mezonului. Pur și simplu, indirect, totul se reduce din nou la schimbul de gluoni.
Câți quarci sunt în nucleoni?
Fiecare neutron este format dintr-o pereche de cuarci d și chiar un singur cuarc u. Fiecare proton, dimpotrivă, este format dintr-un singur d-quark și o pereche de u-quarks. Apropo, literele sunt alocate în funcție de numerele cuantice.
Să explicăm. De exemplu, dezintegrarea beta se explică tocmai prin transformarea unuia din același tip de quarci din compoziția nucleonului în altul. Pentru a fi mai clar, acest proces poate fi scris ca o formulă astfel: d=u + w (aceasta este dezintegrarea neutronilor). Respectiv,proton este scris printr-o formulă ușor diferită: u=d + w.
Apropo, acest din urmă proces explică fluxul constant de neutrini și pozitroni din grupurile mari de stele. Deci, la scara universului, există puține particule la fel de importante ca cuarcul: plasma cu gluon, așa cum am spus deja, confirmă faptul big bang-ului, iar studiile asupra acestor particule permit oamenilor de știință să înțeleagă mai bine însăși esența lumea în care trăim.
Ce este mai mic decât un quarc?
Apropo, din ce constau quarkurile? Particulele lor constitutive sunt preoni. Aceste particule sunt foarte mici și prost înțelese, astfel încât nici astăzi nu se știu multe despre ele. Acesta este ceea ce este mai mic decât un quarc.
De unde au venit?
Până în prezent, cele mai comune două ipoteze ale formării preonilor: teoria corzilor și teoria Bilson-Thompson. În primul caz, apariția acestor particule este explicată prin oscilații ale corzilor. A doua ipoteză sugerează că apariția lor este cauzată de o stare excitată a spațiului și timpului.
În mod interesant, în al doilea caz, fenomenul poate fi descris pe deplin folosind matricea de transfer paralel de-a lungul curbelor rețelei de spin. Proprietățile acestei matrice le predetermină pe cele pentru preon. Din ce sunt alcătuiți quarkurile.
Rezumând unele rezultate, putem spune că quarcii sunt un fel de „cuante” în compoziția hadronilor. Impresionat? Și acum vom vorbi despre cum a fost descoperit quarcul în general. Aceasta este o poveste foarte interesantă, care, în plus, dezvăluie pe deplin unele dintre nuanțele descrise mai sus.
Particule ciudate
Imediat după sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, oamenii de știință au început să exploreze în mod activ lumea particulelor subatomice, care până atunci părea primitiv de simplă (conform acelor idei). Protonii, neutronii (nucleonii) și electronii formează un atom. În 1947, au fost descoperiți pioni (și existența lor a fost prezisă încă din 1935), care au fost responsabili pentru atracția reciprocă a nucleonilor din nucleul atomilor. Mai mult de o expoziție științifică a fost dedicată acestui eveniment la un moment dat. Quarcii nu fuseseră încă descoperiți, dar momentul atacului asupra „urmei” lor era din ce în ce mai aproape.
Neutrinii nu fuseseră încă descoperiți până la acel moment. Dar importanța lor aparentă în explicarea dezintegrarii beta a atomilor a fost atât de mare încât oamenii de știință nu aveau nicio îndoială cu privire la existența lor. În plus, unele antiparticule au fost deja detectate sau prezise. Singurul lucru care a rămas neclar a fost situația cu muonii, care s-au format în timpul dezintegrarii pionilor și au trecut ulterior în starea de neutrin, electron sau pozitron. Fizicienii nu au înțeles deloc pentru ce este această stație intermediară.
Vai, un model atât de simplu și fără pretenții nu a supraviețuit mult timp momentului descoperirii bujorilor. În 1947, doi fizicieni englezi, George Rochester și Clifford Butler, au publicat un articol interesant în revista științifică Nature. Materialul pentru aceasta a fost studiul lor asupra razelor cosmice prin intermediul unei camere cu nori, în timpul căreia au obținut informații curioase. Pe una dintre fotografiile făcute în timpul observației, se vedea clar o pereche de urme cu început comun. Deoarece discrepanța semăna cu V-ul latin, a devenit imediat clar– încărcarea acestor particule este cu siguranță diferită.
Oamenii de știință au presupus imediat că aceste urme indică faptul că dezintegrarea unei particule necunoscute, care nu a lăsat alte urme. Calculele au arătat că masa sa este de aproximativ 500 MeV, ceea ce este mult mai mare decât această valoare pentru un electron. Desigur, cercetătorii au numit descoperirea lor particulă V. Cu toate acestea, nu era încă un quarc. Această particulă încă aștepta în aripi.
Tocmai începe
Totul a început cu această descoperire. În 1949, în aceleași condiții, a fost descoperită o urmă a unei particule, care a dat naștere la trei pioni deodată. Curând a devenit clar că ea, precum și particula V, sunt reprezentanți complet diferiți ai unei familii formate din patru particule. Ulterior, au fost numiți K-mesoni (kaoni).
O pereche de kaoni încărcați au o masă de 494 MeV, iar în cazul unei sarcini neutre - 498 MeV. Apropo, în 1947, oamenii de știință au avut norocul să surprindă același caz foarte rar de dezintegrare a unui kaon pozitiv, dar la acel moment pur și simplu nu puteau interpreta corect imaginea. Cu toate acestea, pentru a fi complet corecti, de fapt, prima observație a kaonului a fost făcută în 1943, dar informațiile despre aceasta aproape s-au pierdut pe fundalul a numeroase publicații științifice postbelice.
Nouă ciudățenie
Și apoi mai multe descoperiri îi așteptau pe oameni de știință. În 1950 și 1951, cercetătorii de la Universitatea din Manchester și Melnburg au reușit să găsească particule mult mai grele decât protonii și neutronii. Din nou nu avea nicio sarcină, dar s-a degradat într-un proton și un pion. Acesta din urmă, după cum se poate înțelege,sarcina negativa. Noua particulă a fost numită Λ (lambda).
Cu cât trecea mai mult timp, cu atât mai multe întrebări aveau oamenii de știință. Problema a fost că noi particule au apărut exclusiv din interacțiuni atomice puternice, degradându-se rapid în protoni și neutroni cunoscuți. În plus, au apărut întotdeauna în perechi, nu au existat niciodată manifestări unice. De aceea, un grup de fizicieni din SUA și Japonia a sugerat folosirea unui nou număr cuantic - ciudatenia - în descrierea lor. Conform definiției lor, ciudatenia tuturor celorl alte particule cunoscute a fost zero.
Cercetari suplimentare
Descoperirea în cercetare a avut loc abia după apariția unei noi sistematizări a hadronilor. Cea mai proeminentă figură a fost israelianul Yuval Neaman, care a schimbat cariera unui militar remarcabil într-o cale la fel de strălucită a unui om de știință.
El a observat că mezonii și barionii descoperiți în acel moment se descompun, formând un grup de particule înrudite, multiplete. Membrii fiecărei astfel de asociații au exact aceeași ciudățenie, dar sarcini electrice opuse. Deoarece interacțiunile nucleare cu adevărat puternice nu depind deloc de sarcinile electrice, în toate celel alte privințe, particulele din multiplet arată ca niște gemeni perfecți.
Oamenii de știință au sugerat că o anumită simetrie naturală este responsabilă pentru apariția unor astfel de formațiuni și în curând au reușit să o găsească. S-a dovedit a fi o simplă generalizare a grupului de spin SU(2), pe care oamenii de știință din întreaga lume l-au folosit pentru a descrie numerele cuantice. Aicidoar până atunci erau deja cunoscuți 23 de hadroni, iar spinurile lor erau egale cu 0, ½ sau o unitate întreagă și, prin urmare, nu era posibil să se utilizeze o astfel de clasificare.
Ca urmare, două numere cuantice au trebuit să fie folosite pentru clasificare simultan, datorită cărora clasificarea a fost extinsă semnificativ. Așa a apărut grupul SU(3), care a fost creat la începutul secolului de către matematicianul francez Elie Cartan. Pentru a determina poziția sistematică a fiecărei particule din ea, oamenii de știință au dezvoltat un program de cercetare. Ulterior, quarcul a intrat cu ușurință în seria sistematică, ceea ce a confirmat corectitudinea absolută a experților.
Numere cuantice noi
Așa că oamenii de știință au venit cu ideea de a folosi numere cuantice abstracte, care au devenit hiperîncărcare și spin izotopic. Cu toate acestea, ciudățenia și încărcarea electrică pot fi luate cu același succes. Această schemă a fost numită în mod convențional Calea în opt ori. Aceasta surprinde analogia cu budismul, unde înainte de a ajunge la nirvana, trebuie să treci și prin opt niveluri. Totuși, toate acestea sunt versuri.
Neeman și colegul său, Gell-Mann, și-au publicat lucrarea în 1961, iar numărul de mezoni cunoscuți atunci nu depășea șapte. Dar în munca lor, cercetătorii nu s-au temut să menționeze probabilitatea mare a existenței celui de-al optulea mezon. În același 1961, teoria lor a fost confirmată cu brio. Particula găsită a fost numită eta meson (litera greacă η).
Descoperiri și experimente ulterioare cu luminozitatea au confirmat corectitudinea absolută a clasificării SU(3). Această împrejurare a devenit puternicăun stimulent pentru cercetătorii care au descoperit că sunt pe drumul cel bun. Chiar și Gell-Mann însuși nu se mai îndoia că quarkurile există în natură. Recenziile despre teoria lui nu erau prea pozitive, dar omul de știință era sigur că are dreptate.
Iată quarcii
În curând a fost publicat articolul „Modelul schematic al barionilor și mezonilor”. În ea, oamenii de știință au putut să dezvolte în continuare ideea de sistematizare, care s-a dovedit a fi atât de utilă. Ei au descoperit că SU(3) permite destul de mult existența unor tripleți întregi de fermioni, a căror sarcină electrică variază de la 2/3 la 1/3 și -1/3, iar în tripletul o particulă are întotdeauna o ciudățenie diferită de zero. Gell-Mann, deja binecunoscut nouă, le-a numit „particule elementare de cuarci”.
Conform acuzațiilor, el le-a desemnat ca u, d și s (din cuvintele englezești sus, jos și ciudat). În conformitate cu noua schemă, fiecare barion este format din trei quarci simultan. Mezonii sunt mult mai simpli. Acestea includ un cuarc (aceasta regulă este de neclintit) și un antiquarc. Abia după aceea comunitatea științifică a devenit conștientă de existența acestor particule, cărora le este dedicat articolul nostru.
Un pic mai mult fundal
Acest articol, care a predeterminat în mare parte dezvoltarea fizicii pentru anii următori, are un fundal destul de curios. Gell-Mann s-a gândit la existența acestui tip de tripleți cu mult înainte de publicare, dar nu a discutat cu nimeni despre presupunerile sale. Faptul este că presupunerile sale despre existența particulelor cu o sarcină fracțională păreau aiurea. Totuși, după ce a discutat cu eminentul fizician teoretician Robert Serber, a aflat că colegul săua făcut exact aceleași concluzii.
De altfel, omul de știință a tras singura concluzie corectă: existența unor astfel de particule este posibilă doar dacă nu sunt fermioni liberi, ci fac parte din hadroni. Într-adevăr, în acest caz, taxele lor formează un singur întreg! La început, Gell-Mann i-a numit quarci și chiar i-a menționat la MTI, dar reacția elevilor și profesorilor a fost foarte restrânsă. De aceea, omul de știință s-a gândit foarte mult timp dacă ar trebui să-și prezinte cercetările publicului.
Însuși cuvântul „quark” (un sunet care amintește de strigătul rațelor) a fost preluat din opera lui James Joyce. Destul de ciudat, dar omul de știință american și-a trimis articolul prestigioasei reviste științifice europene Physics Letters, deoarece se temea serios că editorii ediției americane Physical Review Letters, similare ca nivel, nu l-ar accepta pentru publicare. Apropo, dacă vrei să te uiți măcar la o copie a acelui articol, ai un drum direct către același Muzeu din Berlin. Nu există quarci în expunerea sa, dar există o istorie completă a descoperirii lor (mai precis, dovezi documentare).
Începutul revoluției Quark
Pentru a fi corect, trebuie menționat că aproape în același timp, un om de știință de la CERN, George Zweig, a venit la o idee similară. Mai întâi, Gell-Mann însuși a fost mentorul său, iar apoi Richard Feynman. Zweig a determinat și realitatea existenței fermionilor care aveau sarcini fracționale, numindu-i doar ași. Mai mult, talentatul fizician a considerat și barionii ca un trio de quarci, iar mezonii ca o combinație de quarci.și antiquarc.
Pur simplu spus, elevul a repetat complet concluziile profesorului său și complet separat de el. Lucrarea sa a apărut chiar și cu câteva săptămâni înainte de publicarea lui Mann, dar doar ca o lucrare „de casă” a institutului. Cu toate acestea, prezența a două lucrări independente, ale căror concluzii erau aproape identice, i-a convins imediat pe unii oameni de știință de corectitudinea teoriei propuse.
De la respingere la încredere
Dar mulți cercetători au acceptat această teorie departe de a fi imediat. Da, jurnaliștii și teoreticienii s-au îndrăgostit rapid de el pentru claritatea și simplitatea ei, dar fizicienii serioși au acceptat-o abia după 12 ani. Nu-i învinovăți că sunt prea conservatori. Cert este că inițial teoria quarcilor a contrazis puternic principiul Pauli, pe care l-am menționat chiar la începutul articolului. Dacă presupunem că un proton conține o pereche de u-quark și un singur d-quark, atunci primul trebuie să fie strict în aceeași stare cuantică. Potrivit lui Pauli, acest lucru este imposibil.
Aceasta a apărut un număr cuantic suplimentar, exprimat ca culoare (pe care am menționat-o și mai sus). În plus, era complet de neînțeles modul în care particulele elementare de quarci interacționează între ele în general, de ce nu apar varietățile lor libere. Toate aceste secrete au fost foarte ajutate să se dezvăluie de Teoria Câmpurilor de Ecartament, care a fost „adusă în minte” abia la mijlocul anilor '70. Aproximativ în aceeași perioadă, teoria cuarci a hadronilor a fost inclusă organic în ea.
Dar mai ales, dezvoltarea teoriei a fost înfrânată de absența completă a cel puțin a unor experimente experimentale,ceea ce ar confirma atât însăși existența cât și interacțiunea quarcilor între ei și cu alte particule. Și au început să apară treptat abia de la sfârșitul anilor 60, când dezvoltarea rapidă a tehnologiei a făcut posibilă efectuarea unui experiment cu „transmiterea” protonilor prin fluxuri de electroni. Aceste experimente au făcut posibil să se demonstreze că unele particule cu adevărat „ascunse” în interiorul protonilor, care inițial au fost numiți partoni. Ulterior, cu toate acestea, au fost convinși că acesta nu era altceva decât un adevărat quarc, dar acest lucru s-a întâmplat abia la sfârșitul anului 1972.
Confirmare experimentală
Desigur, era nevoie de mult mai multe date experimentale pentru a convinge în sfârșit comunitatea științifică. În 1964, James Bjorken și Sheldon Glashow (apropo, viitorul câștigător al Premiului Nobel) au sugerat că ar putea exista și un al patrulea tip de quarc, pe care l-au numit fermecat.
Grație acestei ipoteze, deja în 1970, oamenii de știință au putut explica multe dintre ciudateniile care au fost observate în timpul dezintegrarii kaonilor cu încărcare neutră. Patru ani mai târziu, două grupuri independente de fizicieni americani au reușit deodată să repare dezintegrarea mezonului, care includea doar un quarc „fermecat”, precum și antiquarcul său. Nu este surprinzător că acest eveniment a fost imediat numit Revoluția din noiembrie. Pentru prima dată, teoria quarcilor a primit o confirmare mai mult sau mai puțin „vizuală”.
Importanța descoperirii este evidențiată de faptul că liderii de proiect, Samuel Ting și Barton Richter, au trecut dejaau acceptat Premiul Nobel timp de doi ani: acest eveniment se reflectă în multe articole. Puteți vedea unele dintre ele în original dacă vizitați Muzeul de Științe Naturale din New York. Quarcii, așa cum am spus deja, sunt o descoperire extrem de importantă a timpului nostru și, prin urmare, le este acordată multă atenție în comunitatea științifică.
Argument final
Abia în 1976, cercetătorii au găsit o particulă cu farmec diferit de zero, D-mesonul neutru. Aceasta este o combinație destul de complexă de un quarc fermecat și un u-antiquark. Aici, chiar și oponenții întăriți ai existenței quarcilor au fost forțați să admită corectitudinea teoriei, enunțată pentru prima dată cu mai bine de două decenii în urmă. Unul dintre cei mai faimoși fizicieni teoreticieni, John Ellis, a numit farmecul „pârghia care a schimbat lumea.”
În curând, lista noilor descoperiri a inclus o pereche de quarci deosebit de masivi, de sus și de jos, care puteau fi ușor corelate cu sistematizarea SU(3) deja acceptată la acel moment. În ultimii ani, oamenii de știință au vorbit despre existența așa-numiților tetraquarci, pe care unii oameni de știință i-au numit deja „molecule de hadron”.
Câteva concluzii și concluzii
Trebuie să înțelegeți că descoperirea și justificarea științifică a existenței quarcilor pot fi într-adevăr considerate în siguranță o revoluție științifică. Poate fi considerat anul 1947 (în principiu, 1943) drept începutul său, iar sfârșitul său cade în urma descoperirii primului mezon „fermecat”. Se dovedește că durata ultimei descoperiri a acestui nivel până în prezent este, nu mai puțin, de 29 de ani (sau chiar 32 de ani)! Și toate acesteatimpul a fost petrecut nu numai pentru a găsi quarcul! Fiind obiectul primordial din univers, plasma gluonului a atras curând mult mai multă atenție din partea oamenilor de știință.
Cu toate acestea, cu cât zona de studiu devine mai complexă, cu atât este nevoie de mai mult timp pentru a face descoperiri cu adevărat importante. În ceea ce privește particulele despre care discutăm, nimeni nu poate subestima importanța unei astfel de descoperiri. Studiind structura quarcilor, o persoană va putea pătrunde mai adânc în secretele universului. Este posibil ca doar după un studiu complet al acestora să putem afla cum s-a întâmplat big bang-ul și după ce legi se dezvoltă Universul nostru. În orice caz, descoperirea lor a făcut posibil să convingem mulți fizicieni că realitatea care ne înconjoară este mult mai complicată decât ideile anterioare.
Deci ai învățat ce este un quarc. Această particulă a făcut la un moment dat mult zgomot în lumea științifică, iar astăzi cercetătorii sunt plini de speranțe de a dezvălui în sfârșit toate secretele ei.
