Vos prieš metus Peteris Higgsas ir François Engleris gavo Nobelio premiją už darbą su subatominėmis dalelėmis. Tai gali atrodyti juokinga, tačiau mokslininkai atradimus padarė prieš pusę amžiaus, tačiau iki šiol jiems nebuvo suteikta didelė reikšmė.
1964 m. dar du talentingi fizikai taip pat pateikė savo naujovišką teoriją. Iš pradžių ji taip pat beveik netraukė dėmesio. Tai keista, nes ji apibūdino hadronų struktūrą, be kurios neįmanoma stipri tarpatominė sąveika. Tai buvo kvarkų teorija.
Kas tai?
Beje, kas yra kvarkas? Tai vienas iš svarbiausių hadrono komponentų. Svarbu! Ši dalelė turi „pusę“sukimąsi, iš tikrųjų yra fermionas. Priklausomai nuo spalvos (daugiau apie tai žemiau), kvarko krūvis gali būti lygus trečdaliui arba dviem trečdaliams protono krūvio. Kalbant apie spalvas, jų yra šešios (kvarkų kartos). Jie reikalingi, kad nebūtų pažeistas Pauli principas.
Pagrindinisinformacija
Hadronų sudėtyje šios dalelės yra atstumu, neviršijančiu uždarymo vertės. Tai paaiškinama paprastai: jie keičiasi matuoklio lauko vektoriais, tai yra, gliuonais. Kodėl kvarkas toks svarbus? Gliuono plazma (prisotinta kvarkų) yra materijos būsena, kurioje visa visata buvo iškart po Didžiojo sprogimo. Atitinkamai, kvarkų ir gliuonų egzistavimas yra tiesioginis patvirtinimas, kad jis tikrai buvo.
Jie taip pat turi savo spalvą, todėl judesio metu sukuria savo virtualias kopijas. Atitinkamai, didėjant atstumui tarp kvarkų, jų sąveikos jėga žymiai padidėja. Kaip galite spėti, esant minimaliam atstumui, sąveika praktiškai išnyksta (asimptotinė laisvė).
Taigi bet kokia stipri hadronų sąveika paaiškinama gliuonų perėjimu tarp kvarkų. Jei kalbėsime apie hadronų sąveiką, tai jos paaiškinamos pi-mezono rezonanso perkėlimu. Paprasčiau tariant, netiesiogiai viskas vėl susiveda į keitimąsi gliuonais.
Kiek kvarkų yra nukleonuose?
Kiekvieną neutroną sudaro d-kvarkų pora ir net vienas u-kvarkas. Kiekvienas protonas, priešingai, sudarytas iš vieno d-kvarko ir poros u-kvarkų. Beje, raidės priskiriamos priklausomai nuo kvantinių skaičių.
Paaiškinkime. Pavyzdžiui, beta skilimas paaiškinamas būtent tuo, kad vienas iš to paties tipo kvarkų nukleono sudėtyje virsta kitu. Kad būtų aiškiau, šį procesą galima parašyti tokia formule: d=u + w (tai yra neutronų skilimas). Atitinkamai,protonas rašomas šiek tiek kitokia formule: u=d + w.
Beje, būtent pastarasis procesas paaiškina nuolatinį neutrinų ir pozitronų srautą iš didelių žvaigždžių spiečių. Taigi, visatos mastu, yra nedaug dalelių, tokių svarbių kaip kvarkas: gliuono plazma, kaip jau minėjome, patvirtina didžiojo sprogimo faktą, o šių dalelių tyrimai leidžia mokslininkams geriau suprasti pačią kvarko esmę. pasaulis, kuriame gyvename.
Kas yra mažesnis už kvarką?
Beje, iš ko susideda kvarkai? Jų sudedamosios dalelės yra preonai. Šios dalelės yra labai mažos ir menkai suprantamos, todėl net ir šiandien apie jas mažai žinoma. Tai yra mažesnis už kvarką.
Iš kur jie atsirado?
Iki šiol labiausiai paplitusios dvi preonų susidarymo hipotezės: stygų teorija ir Bilsono-Thompsono teorija. Pirmuoju atveju šių dalelių atsiradimas paaiškinamas stygų svyravimais. Antroji hipotezė rodo, kad jų atsiradimą sukelia sužadinta erdvės ir laiko būsena.
Įdomu, kad antruoju atveju reiškinį galima visiškai apibūdinti naudojant lygiagretaus perdavimo išilgai sukimosi tinklo kreivių matricą. Šios matricos savybės iš anksto nulemia preono savybes. Štai iš ko pagaminti kvarkai.
Apibendrinant kai kuriuos rezultatus, galime pasakyti, kad kvarkai yra tam tikri hadronų sudėties „kvantai“. Sužavėtas? O dabar kalbėsime apie tai, kaip apskritai buvo atrastas kvarkas. Tai labai įdomi istorija, kuri, be to, visiškai atskleidžia kai kuriuos aukščiau aprašytus niuansus.
Keistos dalelės
Iš karto po Antrojo pasaulinio karo pabaigos mokslininkai pradėjo aktyviai tyrinėti subatominių dalelių pasaulį, kuris iki tol atrodė primityviai paprastas (pagal tas idėjas). Protonai, neutronai (nukleonai) ir elektronai sudaro atomą. 1947 m. buvo atrasti pionai (o jų egzistavimas buvo prognozuojamas dar 1935 m.), kurie buvo atsakingi už abipusį nukleonų trauką atomų branduolyje. Šiam įvykiui vienu metu buvo skirta ne viena mokslinė paroda. Kvarkai dar nebuvo atrasti, bet jų „pėdsakų“puolimo momentas artėjo.
Neutrinos tuo metu dar nebuvo atrastos. Tačiau akivaizdi jų svarba paaiškinant beta atomų skilimą buvo tokia didelė, kad mokslininkai beveik neabejojo jų egzistavimu. Be to, kai kurios antidalelės jau buvo aptiktos arba numatytos. Vienintelis dalykas, kuris liko neaiškus, buvo padėtis su miuonais, kurie susidarė irstant pionams ir vėliau perėjo į neutrino, elektrono ar pozitrono būseną. Fizikai išvis nesuprato, kam skirta ši tarpinė stotis.
Deja, toks paprastas ir nepretenzingas modelis bijūnų atradimo akimirką išgyveno neilgai. 1947 metais du anglų fizikai George'as Rochesteris ir Cliffordas Butleris moksliniame žurnale „Nature“paskelbė įdomų straipsnį. Tam skirta medžiaga buvo jų kosminių spindulių tyrimas naudojant debesų kamerą, kurio metu jie gavo įdomios informacijos. Vienoje iš nuotraukų, darytų stebėjimo metu, aiškiai matėsi pėdsakų pora su bendra pradžia. Kadangi neatitikimas priminė lotynišką V, iš karto paaiškėjo– šių dalelių krūvis tikrai skiriasi.
Mokslininkai iš karto padarė prielaidą, kad šie pėdsakai rodo kažkokios nežinomos dalelės, kuri nepaliko jokių kitų pėdsakų, skilimo faktą. Skaičiavimai parodė, kad jo masė yra apie 500 MeV, o tai yra daug didesnė nei ši elektrono vertė. Žinoma, mokslininkai savo atradimą pavadino V dalele. Tačiau tai dar nebuvo kvarkas. Ši dalelė vis dar laukė sparnuose.
Tai dar tik prasideda
Viskas prasidėjo nuo šio atradimo. 1949 m. tomis pačiomis sąlygomis buvo aptiktas dalelės pėdsakas, dėl kurio iš karto atsirado trys pionai. Netrukus paaiškėjo, kad ji, kaip ir V-dalelė, yra visiškai skirtingi iš keturių dalelių susidedančios šeimos atstovai. Vėliau jie buvo vadinami K-mezonais (kaonais).
Įkrautų kaonų poros masė yra 494 MeV, o neutralaus krūvio atveju - 498 MeV. Beje, 1947 metais mokslininkams pasisekė užfiksuoti kaip tik tą patį labai retą teigiamo kaono irimo atvejį, tačiau tuomet jie tiesiog negalėjo teisingai interpretuoti vaizdo. Tačiau, tiesą sakant, pirmasis kaono stebėjimas buvo atliktas 1943 m., tačiau informacija apie tai buvo beveik prarasta daugelio pokario mokslinių publikacijų fone.
Nauja keistenybė
Ir tada mokslininkų laukė daugiau atradimų. 1950 ir 1951 metais Mančesterio ir Melnburgo universiteto mokslininkams pavyko rasti dalelių, daug sunkesnių už protonus ir neutronus. Jis vėl neturėjo krūvio, bet suskilo į protoną ir pioną. Pastarasis, kaip galima suprasti,neigiamas krūvis. Naujoji dalelė buvo pavadinta Λ (lambda).
Kuo daugiau laiko praėjo, tuo daugiau klausimų kilo mokslininkams. Problema buvo ta, kad naujos dalelės atsirado tik dėl stiprios atominės sąveikos, greitai suyra į žinomus protonus ir neutronus. Be to, jie visada pasirodydavo poromis, niekada nebuvo pavienių apraiškų. Būtent todėl grupė fizikų iš JAV ir Japonijos savo aprašyme pasiūlė panaudoti naują kvantinį skaičių – keistumą. Pagal jų apibrėžimą visų kitų žinomų dalelių keistumas buvo lygus nuliui.
Tolimesni tyrimai
Tyrimų proveržis įvyko tik po to, kai atsirado nauja hadronų sisteminimas. Ryškiausia figūra buvo izraelietis Yuvalis Neamanas, pakeitęs išskirtinio kariškio karjerą į tokį pat puikų mokslininko kelią.
Jis pastebėjo, kad iki to laiko atrasti mezonai ir barionai sunyksta, sudarydami susijusių dalelių, multipletų, sankaupą. Kiekvienos tokios asociacijos nariai turi lygiai tokius pat keistumus, tačiau priešingus elektros krūvius. Kadangi tikrai stipri branduolinė sąveika visiškai nepriklauso nuo elektros krūvių, visais kitais atžvilgiais dalelės iš multipleto atrodo kaip tobuli dvyniai.
Mokslininkai teigė, kad dėl tokių darinių atsiradimo yra tam tikra natūrali simetrija, ir netrukus jiems pavyko ją rasti. Paaiškėjo, kad tai paprastas SU(2) sukimosi grupės, kurią mokslininkai visame pasaulyje naudojo kvantiniams skaičiams apibūdinti, apibendrinimas. čiatik tuo metu jau buvo žinomi 23 hadronai, kurių sukiniai buvo lygūs 0, ½ arba sveikojo skaičiaus vienetui, todėl nebuvo galima naudoti tokios klasifikacijos.
Dėl to klasifikavimui turėjo būti naudojami iš karto du kvantiniai skaičiai, dėl ko klasifikacija buvo gerokai išplėsta. Taip atsirado grupė SU(3), kurią amžiaus pradžioje sukūrė prancūzų matematikas Elie Cartanas. Siekdami nustatyti kiekvienos dalelės sisteminę padėtį joje, mokslininkai sukūrė tyrimų programą. Vėliau kvarkas lengvai pateko į sistemingą seriją, kuri patvirtino absoliutų ekspertų teisingumą.
Nauji kvantiniai skaičiai
Taigi mokslininkai sugalvojo panaudoti abstrakčius kvantinius skaičius, kurie tapo hiperkrūviu ir izotopiniu sukimu. Tačiau keistumą ir elektros krūvį galima priimti taip pat sėkmingai. Ši schema sutartinai buvo vadinama aštuonkartiniu keliu. Tai užfiksuoja analogiją su budizmu, kai prieš pasiekiant nirvaną taip pat reikia pereiti aštuonis lygius. Tačiau visa tai yra dainų tekstai.
Neemanas ir jo kolega Gell-Mann paskelbė savo darbą 1961 m., o tada žinomų mezonų skaičius neviršijo septynių. Tačiau savo darbe mokslininkai nepabijojo paminėti didelę aštuntojo mezono egzistavimo tikimybę. Tais pačiais 1961 m. jų teorija buvo puikiai patvirtinta. Rasta dalelė buvo pavadinta eta mezonu (graikiška raidė η).
Kolesnės išvados ir eksperimentai su ryškumu patvirtino absoliutų SU(3) klasifikacijos teisingumą. Ši aplinkybė tapo galingapaskata tyrėjams, kurie nustatė, kad eina teisingu keliu. Net pats Gell-Mann nebeabejojo, kad kvarkai egzistuoja gamtoje. Atsiliepimai apie jo teoriją nebuvo pernelyg teigiami, tačiau mokslininkas buvo tikras, kad jis teisus.
Štai kvarkai
Netrukus pasirodė straipsnis „Scheminis barionų ir mezonų modelis“. Joje mokslininkai sugebėjo toliau plėtoti sisteminimo idėją, kuri pasirodė tokia naudinga. Jie išsiaiškino, kad SU(3) gana leidžia egzistuoti ištisiems fermionų trynukams, kurių elektros krūvis svyruoja nuo 2/3 iki 1/3 ir -1/3, o triplete viena dalelė visada turi nulinį keistumą. Gell-Mann, mums jau gerai žinomas, pavadino jas „kvarko elementariosiomis dalelėmis“.
Remiantis k altinimais, jis juos pavadino u, d ir s (iš angliškų žodžių aukštyn, žemyn ir keista). Pagal naują schemą kiekvieną barioną vienu metu sudaro trys kvarkai. Mezonai yra daug paprastesni. Juose yra vienas kvarkas (ši taisyklė yra nepajudinama) ir antikvarkas. Tik po to mokslo bendruomenė sužinojo apie šių dalelių egzistavimą, kuriai ir skirtas mūsų straipsnis.
Šiek tiek daugiau fono
Šis straipsnis, kuris iš esmės nulėmė fizikos raidą ateinančiais metais, turi gana keistą pagrindą. Gell-Mann apie tokio tipo trynukų egzistavimą galvojo dar gerokai prieš jų paskelbimą, tačiau savo prielaidų su niekuo neaptarė. Faktas yra tas, kad jo prielaidos apie dalelių, turinčių dalinį krūvį, egzistavimą atrodė kaip nesąmonė. Tačiau pabendravęs su iškiliu fiziku teoretiku Robertu Serberiu, jis sužinojo, kad jo kolegapadarė lygiai tokias pačias išvadas.
Be to, mokslininkas padarė vienintelę teisingą išvadą: tokių dalelių egzistavimas įmanomas tik tuo atveju, jei jos nėra laisvieji fermionai, o yra hadronų dalis. Iš tiesų, šiuo atveju jų mokesčiai sudaro vieną visumą! Iš pradžių Gell-Mann juos vadino kvarkais ir net paminėjo MTI, tačiau mokinių ir dėstytojų reakcija buvo labai santūri. Štai kodėl mokslininkas labai ilgai galvojo, ar jis turėtų pateikti savo tyrimą visuomenei.
Pats žodis „kvarkas“(garsas, primenantis ančių šauksmą) buvo paimtas iš Jameso Joyce'o kūrinio. Kaip bebūtų keista, bet amerikiečių mokslininkas savo straipsnį išsiuntė prestižiniam Europos mokslo žurnalui „Physics Letters“, nes rimtai baiminosi, kad pagal lygį panašaus amerikietiško „Physical Review Letters“leidimo redaktoriai nepriims jo publikuoti. Beje, jei nori pažvelgti bent į to straipsnio kopiją, turi tiesioginį kelią į tą patį Berlyno muziejų. Jo ekspozicijoje kvarkų nėra, tačiau yra visa jų atradimo istorija (tiksliau, dokumentiniai įrodymai).
Kvarkų revoliucijos pradžia
Teisybės dėlei reikia pažymėti, kad beveik tuo pačiu metu mokslininkas iš CERN George'as Zweigas priėjo prie panašios idėjos. Pirma, pats Gell-Mann buvo jo mentorius, o paskui Richardas Feynmanas. Zweigas taip pat nustatė fermionų, kurie turėjo dalinius krūvius, egzistavimo realybę, vadino juos tik tūzais. Be to, talentingas fizikas taip pat laikė barionus kvarkų trejetu, o mezonus – kvarkų deriniu.ir antikvarkas.
Paprasčiau tariant, mokinys visiškai pakartojo savo mokytojo išvadas ir visiškai atsiskyrė nuo jo. Jo kūryba pasirodė net likus porai savaičių iki Manno publikacijos, bet tik kaip „naminis“instituto darbas. Tačiau būtent du nepriklausomi darbai, kurių išvados buvo beveik identiškos, kai kuriuos mokslininkus iškart įtikino siūlomos teorijos teisingumu.
Nuo atmetimo iki pasitikėjimo
Tačiau daugelis tyrinėtojų priėmė šią teoriją toli gražu ne iš karto. Taip, žurnalistai ir teoretikai greitai jį pamėgo dėl aiškumo ir paprastumo, tačiau rimti fizikai jį priėmė tik po 12 metų. Nek altink jų pernelyg konservatyvumu. Faktas yra tas, kad iš pradžių kvarkų teorija smarkiai prieštaravo Pauli principui, kurį minėjome pačioje straipsnio pradžioje. Jei darysime prielaidą, kad protone yra pora u-kvarkų ir vienas d-kvarkas, tada pirmasis turi būti griežtai toje pačioje kvantinėje būsenoje. Pasak Pauli, tai neįmanoma.
Štai tada atsirado papildomas kvantinis skaičius, išreikštas spalva (kurį taip pat minėjome aukščiau). Be to, buvo visiškai nesuprantama, kaip bendrai tarpusavyje sąveikauja elementarios kvarkų dalelės, kodėl neatsiranda laisvųjų jų atmainų. Visas šias paslaptis labai padėjo atskleisti matuoklio laukų teorija, kuri buvo „priminta“tik aštuntojo dešimtmečio viduryje. Maždaug tuo pačiu metu į ją buvo įtraukta hadronų kvarkų teorija.
Bet labiausiai teorijos vystymąsi stabdė visiškas bent kai kurių eksperimentinių eksperimentų nebuvimas,kuris patvirtintų ir patį kvarkų egzistavimą ir sąveiką tarpusavyje bei su kitomis dalelėmis. Ir jie palaipsniui pradėjo atsirasti tik nuo 60-ųjų pabaigos, kai sparčiai vystantis technologijoms buvo galima atlikti eksperimentą su protonų „perdavimu“elektronų srautais. Būtent šie eksperimentai leido įrodyti, kad kai kurios dalelės tikrai „pasislėpė“protonų viduje, kurie iš pradžių buvo vadinami partonais. Vis dėlto vėliau jie buvo įsitikinę, kad tai ne kas kita, kaip tikras kvarkas, tačiau tai atsitiko tik 1972 m. pabaigoje.
Eksperimentinis patvirtinimas
Žinoma, reikėjo daug daugiau eksperimentinių duomenų, kad pagaliau įtikintume mokslo bendruomenę. 1964 m. Jamesas Bjorkenas ir Sheldonas Glashowas (beje, būsimasis Nobelio premijos laureatas) pasiūlė, kad gali būti ir ketvirtoji kvarkų rūšis, kurią jie pavadino žaviu.
Šios hipotezės dėka mokslininkai jau 1970 m. sugebėjo paaiškinti daugelį keistenybių, pastebėtų irstant neutralaus krūvio kaonams. Po ketverių metų dviem nepriklausomoms amerikiečių fizikų grupėms iš karto pavyko ištaisyti mezono skilimą, kuriame buvo tik vienas „žavingas“kvarkas, taip pat jo antikvarkas. Nenuostabu, kad šis įvykis iš karto buvo pavadintas lapkričio revoliucija. Pirmą kartą kvarkų teorija gavo daugiau ar mažiau „vizualų“patvirtinimą.
Atradimo svarbą liudija faktas, kad projekto vadovai Samuelis Tingas ir Bartonas Richteris jau baigėdvejus metus priėmė Nobelio premiją: šis įvykis atsispindi daugelyje straipsnių. Kai kuriuos iš jų galite pamatyti originale, jei apsilankysite Niujorko gamtos mokslų muziejuje. Kvarkai, kaip jau minėjome, yra nepaprastai svarbus mūsų laikų atradimas, todėl mokslinėje bendruomenėje jiems skiriamas didelis dėmesys.
Paskutinis argumentas
Tik 1976 m. mokslininkai aptiko vieną dalelę, kurios žavesys nesiskiria nuo nulio – neutralų D-mezoną. Tai gana sudėtingas vieno žavingo kvarko ir u-antikvarko derinys. Čia net užkietėję kvarkų egzistavimo priešininkai buvo priversti pripažinti teorijos, pirmą kartą pareikštos daugiau nei prieš du dešimtmečius, teisingumą. Vienas garsiausių teorinių fizikų Johnas Ellisas žavesį pavadino „svertu, kuris apvertė pasaulį“.
Netrukus į naujų atradimų sąrašą pateko pora ypač masyvių kvarkų, viršaus ir apačios, kuriuos būtų galima nesunkiai koreliuoti su tuo metu jau priimta SU(3) sistemizacija. Pastaraisiais metais mokslininkai kalba apie vadinamųjų tetrakvarkų, kuriuos kai kurie mokslininkai jau pavadino „hadronų molekulėmis“, egzistavimą.
Kai kurios išvados ir išvados
Turite suprasti, kad atradimas ir mokslinis kvarkų egzistavimo pagrindimas iš tiesų gali būti laikomas moksline revoliucija. Jos pradžia galima laikyti 1947-uosius (iš esmės 1943-uosius), o pabaiga patenka į pirmojo „užburto“mezono atradimą. Pasirodo, paskutinio tokio lygio atradimo trukmė iki šiol yra ne mažiau nei 29 metai (ar net 32 metai)! Ir visa tailaikas buvo praleistas ne tik kvarkui surasti! Gliuono plazma, kaip pirminis visatos objektas, netrukus sulaukė daug daugiau mokslininkų dėmesio.
Tačiau kuo sudėtingesnė tampa studijų sritis, tuo daugiau laiko reikia padaryti tikrai svarbiems atradimams. Kalbant apie daleles, apie kurias kalbame, niekas negali nuvertinti tokio atradimo svarbos. Tyrinėdamas kvarkų sandarą, žmogus galės giliau įsiskverbti į visatos paslaptis. Gali būti, kad tik visapusiškai juos ištyrę galėsime išsiaiškinti, kaip įvyko didysis sprogimas ir pagal kokius dėsnius vystosi mūsų Visata. Bet kokiu atveju, jų atradimas leido įtikinti daugelį fizikų, kad mus supanti tikrovė yra daug sudėtingesnė nei ankstesnės idėjos.
Taigi jūs sužinojote, kas yra kvarkas. Ši dalelė vienu metu kėlė daug triukšmo mokslo pasaulyje, o šiandien tyrinėtojai kupini vilčių pagaliau atskleisti visas savo paslaptis.
