Zaledwie rok temu Peter Higgs i François Engler otrzymali Nagrodę Nobla za swoją pracę nad cząstkami subatomowymi. Może się to wydawać śmieszne, ale naukowcy dokonali swoich odkryć pół wieku temu, ale do tej pory nie przywiązywano im większej wagi.
W 1964 roku jeszcze dwóch utalentowanych fizyków przedstawiło swoją innowacyjną teorię. Na początku też prawie nie zwracała na siebie uwagi. To dziwne, ponieważ opisała budowę hadronów, bez których nie jest możliwe silne oddziaływanie międzyatomowe. To była teoria kwarków.
Co to jest?
Przy okazji, czym jest kwark? Jest to jeden z najważniejszych składników hadronu. Ważny! Ta cząsteczka ma „połowę” spinu, w rzeczywistości jest fermionem. W zależności od koloru (więcej o tym poniżej), ładunek kwarka może wynosić jedną trzecią lub dwie trzecie ładunku protonu. Jeśli chodzi o kolory, jest ich sześć (generacje kwarków). Są potrzebne, aby zasada Pauliego nie została naruszona.
Podstawoweszczegóły
W składzie hadronów cząstki te znajdują się w odległości nieprzekraczającej wartości ograniczenia. Wyjaśnia się to po prostu: wymieniają wektory pola cechowania, czyli gluony. Dlaczego kwark jest tak ważny? Plazma gluonowa (nasycona kwarkami) to stan materii, w którym bezpośrednio po Wielkim Wybuchu znajdował się cały wszechświat. W związku z tym istnienie kwarków i gluonów jest bezpośrednim potwierdzeniem, że naprawdę był.
Mają też swój własny kolor, dlatego podczas ruchu tworzą swoje wirtualne kopie. W związku z tym wraz ze wzrostem odległości między kwarkami siła oddziaływania między nimi znacznie wzrasta. Jak można się domyślić, przy minimalnej odległości interakcja praktycznie zanika (swoboda asymptotyczna).
Zatem każde oddziaływanie silne w hadronach tłumaczy się przejściem gluonów między kwarkami. Jeśli mówimy o interakcjach między hadronami, to wyjaśnia się je przeniesieniem rezonansu mezonu pi. Mówiąc wprost, pośrednio, wszystko znowu sprowadza się do wymiany gluonów.
Ile kwarków jest w nukleonach?
Każdy neutron składa się z pary kwarków d, a nawet jednego kwarka u. Przeciwnie, każdy proton składa się z jednego kwarka d i pary kwarków u. Nawiasem mówiąc, litery są przypisywane w zależności od liczb kwantowych.
Wyjaśnijmy. Na przykład rozpad beta tłumaczy się właśnie przekształceniem jednego kwarków tego samego typu w składzie nukleonu w inny. Aby było jaśniej, proces ten można zapisać jako formułę w następujący sposób: d=u + w (jest to rozpad neutronów). Odpowiednio,proton jest zapisywany przez nieco inną formułę: u=d + w.
Nawiasem mówiąc, to ten ostatni proces wyjaśnia stały przepływ neutrin i pozytonów z dużych gromad gwiazd. Tak więc w skali wszechświata niewiele jest cząstek tak ważnych jak kwark: plazma gluonowa, jak już powiedzieliśmy, potwierdza fakt wielkiego wybuchu, a badania tych cząstek pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć samą istotę świat, w którym żyjemy.
Co jest mniejsze niż kwark?
Przy okazji, z czego składają się kwarki? Ich cząstkami składowymi są preony. Cząsteczki te są bardzo małe i słabo poznane, tak że nawet dzisiaj niewiele o nich wiadomo. To jest mniejsze niż kwark.
Skąd pochodzą?
Do tej pory najpopularniejsze dwie hipotezy dotyczące powstawania preonów: teoria strun i teoria Bilsona-Thompsona. W pierwszym przypadku pojawienie się tych cząstek tłumaczy się oscylacjami struny. Druga hipoteza sugeruje, że ich pojawienie się jest spowodowane wzbudzonym stanem przestrzeni i czasu.
Co ciekawe, w drugim przypadku zjawisko można w pełni opisać za pomocą macierzy przeniesienia równoległego wzdłuż krzywych sieci spinowej. Właściwości tej samej matrycy z góry determinują te dla zwierzaka. Z tego właśnie zbudowane są kwarki.
Podsumowując niektóre wyniki, możemy powiedzieć, że kwarki są rodzajem „kwanty” w składzie hadronów. Pod wrażeniem? A teraz porozmawiamy o tym, jak ogólnie odkryto kwark. To bardzo ciekawa historia, która dodatkowo w pełni odsłania niektóre z opisanych powyżej niuansów.
Dziwne cząstki
Zaraz po zakończeniu II wojny światowej naukowcy zaczęli aktywnie badać świat cząstek subatomowych, który do tej pory wyglądał na prymitywnie prosty (zgodnie z tymi ideami). Protony, neutrony (nukleony) i elektrony tworzą atom. W 1947 odkryto piony (a ich istnienie przewidywano już w 1935), które odpowiadały za wzajemne przyciąganie się nukleonów w jądrze atomów. Jednorazowo temu wydarzeniu poświęcono więcej niż jedną wystawę naukową. Kwarki nie zostały jeszcze odkryte, ale zbliżał się moment ataku na ich „ślad”.
Neutrina nie zostały jeszcze odkryte do tego czasu. Ale ich pozorna waga w wyjaśnianiu rozpadu beta atomów była tak wielka, że naukowcy nie mieli wątpliwości co do ich istnienia. Ponadto niektóre antycząstki zostały już wykryte lub przewidziane. Jedyne, co pozostało niejasne, to sytuacja z mionami, które powstały podczas rozpadu pionów, a następnie przeszły w stan neutrina, elektronu lub pozytonu. Fizycy w ogóle nie rozumieli, do czego służy ta stacja pośrednia.
Niestety, tak prosty i bezpretensjonalny model nie przetrwał długo momentu odkrycia piwonii. W 1947 roku dwaj angielscy fizycy, George Rochester i Clifford Butler, opublikowali interesujący artykuł w czasopiśmie naukowym Nature. Materiałem do tego było ich badanie promieni kosmicznych za pomocą komory mgłowej, podczas której uzyskali ciekawe informacje. Na jednym ze zdjęć wykonanych podczas obserwacji wyraźnie widać było parę śladów o wspólnym początku. Ponieważ rozbieżność przypominała łacińskie V, od razu stało się jasne– ładunek tych cząstek jest zdecydowanie inny.
Naukowcy od razu założyli, że ślady te wskazują na rozpad jakiejś nieznanej cząstki, która nie pozostawiła żadnych innych śladów. Obliczenia wykazały, że jego masa wynosi około 500 MeV, czyli znacznie więcej niż ta wartość dla elektronu. Oczywiście naukowcy nazwali swoje odkrycie cząstką V. Nie był to jednak jeszcze kwark. Ta cząsteczka wciąż czekała na skrzydłach.
To dopiero początek
Wszystko zaczęło się od tego odkrycia. W 1949 r. w tych samych warunkach odkryto ślad cząstki, z której naraz powstały trzy piony. Wkrótce stało się jasne, że ona, podobnie jak cząstka V, są zupełnie innymi przedstawicielami rodziny składającej się z czterech cząstek. Następnie nazwano je mezonami K (kaonami).
Para naładowanych kaonów ma masę 494 MeV, aw przypadku ładunku neutralnego 498 MeV. Nawiasem mówiąc, w 1947 roku naukowcy mieli szczęście uchwycić ten sam bardzo rzadki przypadek rozpadu dodatniego kaonu, ale w tym czasie po prostu nie mogli poprawnie zinterpretować obrazu. Aby jednak być całkowicie sprawiedliwym, w rzeczywistości pierwsza obserwacja kaonu została dokonana już w 1943 r., ale informacje o tym prawie zaginęły na tle licznych powojennych publikacji naukowych.
Nowa dziwność
A potem na naukowców czekały kolejne odkrycia. W latach 1950 i 1951 naukowcom z Uniwersytetu w Manchesterze i Melnburgu udało się znaleźć cząstki znacznie cięższe od protonów i neutronów. Znowu nie miał ładunku, ale rozpadł się na proton i pion. Te ostatnie, jak można zrozumieć,ładunek ujemny. Nowa cząstka została nazwana Λ (lambda).
Im więcej czasu minęło, tym więcej pytań mieli naukowcy. Problem polegał na tym, że nowe cząstki powstały wyłącznie w wyniku silnych oddziaływań atomowych, szybko rozpadając się na znane protony i neutrony. Ponadto zawsze pojawiały się parami, nigdy nie było pojedynczych manifestacji. Dlatego grupa fizyków z USA i Japonii zasugerowała użycie w swoim opisie nowej liczby kwantowej - obcości. Zgodnie z ich definicją, dziwność wszystkich innych znanych cząstek wynosiła zero.
Dalsze badania
Przełom w badaniach nastąpił dopiero po pojawieniu się nowej systematyzacji hadronów. Najwybitniejszą postacią w tym był izraelski Yuval Neaman, który zmienił karierę wybitnego wojskowego w równie błyskotliwą drogę naukowca.
Zauważył, że odkryte do tego czasu mezony i bariony rozpadają się, tworząc skupisko powiązanych ze sobą cząstek, multipletów. Członkowie każdego takiego stowarzyszenia mają dokładnie tę samą dziwność, ale przeciwne ładunki elektryczne. Ponieważ naprawdę silne oddziaływania jądrowe w ogóle nie zależą od ładunków elektrycznych, pod każdym innym względem cząstki z multipletu wyglądają jak doskonałe bliźniaki.
Naukowcy zasugerowali, że za pojawienie się takich formacji odpowiedzialna jest jakaś naturalna symetria i wkrótce udało im się ją znaleźć. Okazało się, że jest to proste uogólnienie grupy spinowej SU(2), której naukowcy na całym świecie używali do opisywania liczb kwantowych. Tutajtylko w tym czasie znane były już 23 hadrony, a ich spiny były równe 0, ½ lub jednostce całkowitej i dlatego nie było możliwości zastosowania takiej klasyfikacji.
W rezultacie do klasyfikacji musiały być używane jednocześnie dwie liczby kwantowe, co znacznie rozszerzyło klasyfikację. Tak powstała grupa SU(3), którą na początku wieku stworzył francuski matematyk Elie Cartan. Aby określić systematyczne położenie każdej znajdującej się w nim cząstki, naukowcy opracowali program badawczy. Następnie kwark łatwo wszedł w szereg systematyczny, co potwierdziło absolutną słuszność ekspertów.
Nowe liczby kwantowe
Więc naukowcy wpadli na pomysł wykorzystania abstrakcyjnych liczb kwantowych, które stały się hiperładunkiem i spinem izotopowym. Jednak obcość i ładunek elektryczny można przyjąć z takim samym sukcesem. Ten schemat był konwencjonalnie nazywany Ośmioraką Ścieżką. To oddaje analogię z buddyzmem, gdzie przed osiągnięciem nirwany trzeba również przejść przez osiem poziomów. Jednak to wszystko to teksty.
Neeman i jego kolega Gell-Mann opublikowali swoją pracę w 1961 roku, a liczba znanych wówczas mezonów nie przekraczała siedmiu. Ale w swojej pracy badacze nie bali się wspomnieć o wysokim prawdopodobieństwie istnienia ósmego mezonu. W tym samym 1961 roku ich teoria została znakomicie potwierdzona. Znaleziona cząstka została nazwana mezonem eta (grecka litera η).
Kolejne odkrycia i eksperymenty z jasnością potwierdziły absolutną poprawność klasyfikacji SU(3). Ta okoliczność stała się potężnazachęta dla naukowców, którzy odkryli, że są na dobrej drodze. Nawet sam Gell-Mann nie wątpił już w istnienie kwarków w przyrodzie. Recenzje na temat jego teorii nie były zbyt pozytywne, ale naukowiec był pewien, że ma rację.
Oto kwarki
Wkrótce opublikowano artykuł "Schematyczny model barionów i mezonów". W nim naukowcom udało się dalej rozwinąć ideę systematyzacji, która okazała się tak przydatna. Stwierdzili, że SU(3) w pełni dopuszcza istnienie całych trypletów fermionów, których ładunek elektryczny waha się od 2/3 do 1/3 i -1/3, a w tryplecie jedna cząstka ma zawsze niezerową dziwność. Gell-Mann, już nam dobrze znany, nazwał je „kwarkowymi cząstkami elementarnymi”.
Według zarzutów oznaczył je jako u, d i s (od angielskich słów góra, dół i dziwne). Zgodnie z nowym schematem, każdy barion tworzą jednocześnie trzy kwarki. Mezony są znacznie prostsze. Zawierają jeden kwark (ta zasada jest niezachwiana) i antykwark. Dopiero potem społeczność naukowa dowiedziała się o istnieniu tych cząstek, którym poświęcony jest nasz artykuł.
Trochę więcej tła
Ten artykuł, który w dużej mierze zdeterminował rozwój fizyki na nadchodzące lata, ma dość ciekawe tło. Gell-Mann myślał o istnieniu tego rodzaju trojaczków na długo przed jego publikacją, ale nie rozmawiał z nikim o swoich założeniach. Faktem jest, że jego założenia dotyczące istnienia cząstek z ładunkiem ułamkowym wyglądały jak nonsens. Jednak po rozmowie z wybitnym fizykiem teoretykiem Robertem Serberem dowiedział się, że jego kolegawyciągnęła dokładnie te same wnioski.
Poza tym naukowiec wyciągnął jedyny słuszny wniosek: istnienie takich cząstek jest możliwe tylko wtedy, gdy nie są one wolnymi fermionami, ale są częścią hadronów. Rzeczywiście, w tym przypadku ich podopieczni tworzą jedną całość! Początkowo Gell-Mann nazywał je kwarkami, a nawet wspominał o nich na MTI, ale reakcja uczniów i nauczycieli była bardzo powściągliwa. Dlatego naukowiec bardzo długo zastanawiał się, czy powinien przedstawić swoje badania opinii publicznej.
Samo słowo „kwark” (dźwięk przypominający krzyk kaczek) zostało zaczerpnięte z pracy Jamesa Joyce'a. O dziwo, ale amerykański naukowiec wysłał swój artykuł do prestiżowego europejskiego czasopisma naukowego Physics Letters, ponieważ poważnie obawiał się, że redakcja amerykańskiego wydania Physical Review Letters, podobna pod względem poziomu, nie przyjmie go do publikacji. Nawiasem mówiąc, jeśli chcesz spojrzeć chociaż na kopię tego artykułu, masz bezpośrednią drogę do tego samego berlińskiego muzeum. W jego ekspozycji nie ma kwarków, ale istnieje pełna historia ich odkrycia (a dokładniej dowody z dokumentów).
Początek rewolucji kwarkowej
Szczerze należy zauważyć, że prawie w tym samym czasie na podobny pomysł wpadł naukowiec z CERN-u George Zweig. Najpierw sam Gell-Mann był jego mentorem, a potem Richard Feynman. Zweig określił również rzeczywistość istnienia fermionów, które miały ładunki ułamkowe, nazywając je jedynie asami. Co więcej, utalentowany fizyk uważał bariony za trio kwarków, a mezony za kombinację kwarków.i antykwark.
Mówiąc prosto, uczeń całkowicie powtórzył wnioski swojego nauczyciela i całkowicie odłączył się od niego. Jego praca ukazała się nawet na kilka tygodni przed publikacją Manna, ale tylko jako „domowa” praca instytutu. Jednak to obecność dwóch niezależnych prac, z których wnioski były niemal identyczne, od razu przekonała niektórych naukowców o słuszności proponowanej teorii.
Od odrzucenia do zaufania
Ale wielu badaczy zaakceptowało tę teorię nie od razu. Owszem, dziennikarze i teoretycy szybko zakochali się w nim za jego klarowność i prostotę, ale poważni fizycy zaakceptowali go dopiero po 12 latach. Nie obwiniaj ich, że są zbyt konserwatywni. Faktem jest, że początkowo teoria kwarków ostro zaprzeczała zasadzie Pauliego, o której wspomnieliśmy na samym początku artykułu. Jeśli założymy, że proton zawiera parę kwarków u i jeden kwark d, to ten pierwszy musi być ściśle w tym samym stanie kwantowym. Według Pauliego jest to niemożliwe.
Wtedy pojawiła się dodatkowa liczba kwantowa wyrażona jako kolor (o czym również wspomnieliśmy powyżej). Ponadto zupełnie niezrozumiałe było, w jaki sposób cząstki elementarne kwarków w ogóle oddziałują ze sobą, dlaczego ich swobodne odmiany nie występują. Wszystkim tym tajemnicom bardzo pomogła rozwikłać teoria pól pomiarowych, którą „przyszła na myśl” dopiero w połowie lat 70-tych. Mniej więcej w tym samym czasie została w nim zawarta teoria kwarków hadronów.
Ale przede wszystkim rozwój teorii został zahamowany przez całkowity brak przynajmniej niektórych eksperymentów eksperymentalnych,co potwierdzałoby zarówno samo istnienie, jak i oddziaływanie kwarków ze sobą iz innymi cząstkami. I stopniowo zaczęły pojawiać się dopiero od końca lat 60., kiedy szybki rozwój technologii umożliwił przeprowadzenie eksperymentu z „przenoszeniem” protonów przez strumienie elektronów. To właśnie te eksperymenty umożliwiły udowodnienie, że niektóre cząstki naprawdę „ukryły się” w protonach, które pierwotnie nazywano partonami. Później jednak byli przekonani, że to nic innego jak prawdziwy kwark, ale stało się to dopiero pod koniec 1972 roku.
Potwierdzenie eksperymentalne
Oczywiście potrzeba było znacznie więcej danych eksperymentalnych, aby w końcu przekonać społeczność naukową. W 1964 roku James Bjorken i Sheldon Glashow (nawiasem mówiąc, przyszły laureat Nagrody Nobla) zasugerowali, że może istnieć również czwarty rodzaj kwarków, który nazwali zaczarowanymi.
To właśnie dzięki tej hipotezie już w 1970 roku naukowcy byli w stanie wyjaśnić wiele dziwactw zaobserwowanych podczas rozpadu neutralnie naładowanych kaonów. Cztery lata później dwóm niezależnym grupom fizyków amerykańskich udało się jednocześnie naprawić rozpad mezonu, który obejmował tylko jeden „zaczarowany” kwark, a także jego antykwark. Nic dziwnego, że wydarzenie to zostało natychmiast nazwane rewolucją listopadową. Po raz pierwszy teoria kwarków uzyskała mniej więcej „wizualne” potwierdzenie.
Wagę odkrycia potwierdza fakt, że liderzy projektu, Samuel Ting i Barton Richter, już przeszliodebrali nagrodę Nobla na dwa lata: to wydarzenie znajduje odzwierciedlenie w wielu artykułach. Niektóre z nich można zobaczyć w oryginale, odwiedzając nowojorskie Muzeum Nauk Przyrodniczych. Kwarki, jak już powiedzieliśmy, są niezwykle ważnym odkryciem naszych czasów, dlatego poświęca się im wiele uwagi w środowisku naukowym.
Ostateczny argument
Dopiero w 1976 roku naukowcy znaleźli jedną cząstkę o niezerowym uroku, neutralny mezon D. Jest to dość złożona kombinacja jednego zaczarowanego kwarka i u-antykwarka. Tutaj nawet zatwardziali przeciwnicy istnienia kwarków zmuszeni byli przyznać słuszność teorii, po raz pierwszy stwierdzonej ponad dwie dekady temu. Jeden z najsłynniejszych fizyków teoretycznych, John Ellis, nazwał urok „dźwignią, która odwróciła świat”.
Wkrótce lista nowych odkryć zawierała parę szczególnie masywnych kwarków, górnego i dolnego, które można łatwo skorelować z akceptowaną w tamtym czasie systematyzacją SU(3). W ostatnich latach naukowcy mówili o istnieniu tak zwanych tetrakwarków, które niektórzy naukowcy nazwali już „cząsteczkami hadronów”.
Kilka wniosków i wniosków
Musisz zrozumieć, że odkrycie i naukowe uzasadnienie istnienia kwarków rzeczywiście można bezpiecznie uznać za rewolucję naukową. Za jej początek można uznać rok 1947 (w zasadzie 1943), a jego koniec przypada na odkrycie pierwszego „zaczarowanego” mezonu. Okazuje się, że czas trwania ostatniego odkrycia tego poziomu do tej pory wynosi nie mniej niż 29 lat (a nawet 32 lata)! I to wszystkoczas poświęcono nie tylko na odnalezienie kwarka! Jako pierwotny obiekt we wszechświecie, plazma gluonowa wkrótce przyciągnęła znacznie więcej uwagi naukowców.
Jednak im bardziej złożony staje się obszar badań, tym więcej czasu zajmuje dokonanie naprawdę ważnych odkryć. Jeśli chodzi o omawiane cząstki, nikt nie może lekceważyć wagi takiego odkrycia. Badając budowę kwarków, człowiek będzie mógł wniknąć głębiej w tajemnice wszechświata. Możliwe, że dopiero po ich dokładnym zbadaniu będziemy mogli dowiedzieć się, jak doszło do Wielkiego Wybuchu i według jakich praw rozwija się nasz Wszechświat. W każdym razie to ich odkrycie pozwoliło przekonać wielu fizyków, że otaczająca nas rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana niż dotychczasowe wyobrażenia.
Więc nauczyłeś się, czym jest kwark. Cząstka ta w swoim czasie narobiła wiele szumu w świecie naukowym, a dziś badacze są pełni nadziei, że w końcu odkryją wszystkie jej sekrety.
