Quark - este o particulă? Aflați de la care se compun cuarcii. Care particulă este mai mică decât un quark?

Doar un an în urmă, Peter Higgs și François Englert a câștigat Premiul Nobel pentru munca pe care a fost dedicată cercetării particule subatomice.

În 1964, doi fizicieni mai talentați au venit, de asemenea, cu teoria lor de pionierat. La început, ea nu a atras aproape nici o atenție. Acest lucru este ciudat, deoarece descrie structura hadronilor, fără de care nu este posibilă nici o interacțiune interactivă unică. Aceasta a fost teoria quark-urilor.

Ce este?

Apropo, ce este un quark? Acesta este unul dintre cei mai importanți constituenți ai hasronului. Important! Această particulă are o spinare "pe jumătate", de fapt fiind un fermion. În funcție de culoare (în legătură cu cele de mai jos), taxa de tip quark poate fi egală cu o treime sau două treimi din sarcina protonului. În ceea ce privește culorile, există șase (generația quark). Ele sunt necesare pentru ca principiul lui Pauli să nu fie încălcat.

Informații de bază

În compoziția hadronului, aceste particule se află la o distanță care nu depășește valoarea de confinere. Acest lucru este explicat pur și simplu: schimbă vectorii câmpului de măsurare, adică gluoni. De ce este important quark-ul? Plasma gluonului (saturată cu cuarci) este o stare de materie în care întregul univers a fost localizat imediat după Big Bang. În consecință, existența unor cuarci și gluoni este o confirmare directă a faptului că era cu adevărat.

De asemenea, au culoarea lor proprie și, prin urmare, creează copii virtuale în timpul mișcării. În consecință, pe măsură ce distanța dintre cuarci crește, forța de interacțiune dintre ele crește foarte mult. După cum puteți ghici, cu o distanță minimă, interacțiunea dispare practic (libertatea asimptotică).

Astfel, orice interacțiune puternică în hadroni se explică prin trecerea gluonilor între quark-uri. Dacă vorbim despre interacțiunile dintre hadroni, ele se explică prin transferul rezonanței pion. Pur și simplu pune, indirect, totul se reduce din nou la schimbul de gluoni.

Câte quarcuri fac parte din nucleoni?

Fiecare neutron constă dintr-o pereche de d-quarks și un singur u-quark. Fiecare proton, pe de altă parte, este alcătuit dintr-un singur quark și o pereche de u-quarks. Apropo, literele sunt plasate în funcție de numerele cuantice.

Vom explica. De exemplu, dezintegrarea beta poate fi explicată doar prin transformarea unuia din aceleași cuarci în nucleon în altul. Pentru a fi mai bine înțeleasă, sub forma unei formule, acest proces poate fi scris astfel: d = u + w (aceasta este decăderea neutronilor). În consecință, protonul este scris printr-o formulă puțin diferită: u = d + w.

De altfel, acesta este ultimul procedeu se explică printr-un flux constant de neutrini și pozitroni ale marilor roiuri. Deci, scara universului un pic mai puțin importantă a particulelor, care este o plasmă quarc-gluon, așa cum am spus deja, confirmă Big Bang, și studiul acestor particule permit oamenilor de știință să înțeleagă mai bine esența lumii în care trăim.

Ce este mai puțin decât un quark?

Apropo, din ce constau quarcurile? Constituentul lor este preonii. Aceste particule sunt foarte mici și prost înțelese, deci și astăzi ele nu sunt foarte bine cunoscute. Asta e mai puțin decât un quark.

De unde vin?

Până în prezent, cele mai frecvente sunt două ipoteze pentru formarea preonilor: teoria corzilor și teoria lui Bilson-Thompson. În primul caz, apariția acestor particule este explicată prin oscilația șirurilor. A doua ipoteză presupune că apariția lor este cauzată de o stare excitată de spațiu și timp.

Este interesant faptul că în cel de-al doilea caz fenomenul poate fi descris complet folosind matricea transportului paralel de-a lungul curbelor rețelei de centrifugare. Proprietățile acestei matrice însăși și predetermină cele pentru preon. Din acest punct de vedere sunt incluse și cuarcile.

Rezumând câteva rezultate, putem spune că cuarcile sunt specii "quanta" în compoziția hadronilor. Impresionat? Și acum vom vorbi despre cum a fost descoperit deloc. Aceasta este o poveste fascinantă, care, printre altele, dezvăluie mai 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 pînă atunci păreau simple (conform acestor idei). Protonii, neutronii (nucleonii) și electronii au format un atom. În 1947, pionii au fost descoperiți (și și-au prezis existența înapoi în 1935), care au fost responsabile de atracția reciprocă a nucleonilor din nucleul atomilor. Acest eveniment a fost dedicat mai multor expoziții științifice. Quark-urile nu erau încă deschise, dar timpul atacului asupra "urmei" lor se apropia.

Neutrinii nu fuseseră descoperiți până atunci. Dar importanța lor evidentă pentru explicarea decăderii beta a atomilor a fost atât de mare încât oamenii de știință nu aveau îndoieli în legătură cu existența lor. În plus, unele antiparticule au fost deja detectate sau prezise. Numai situația cu muoni care s-au format în timpul decăderii pionilor a rămas neclară și ulterior a trecut în starea unui neutrino, a unui electron sau a unui pozitron. Fizicienii nu au înțeles de ce stație intermediară.

Din păcate, un model atât de simplu și nemilos nu a supraviețuit momentului în care au fost descoperite pioni. În 1947, doi fizicieni englezi, George Rochester și Clifford Butler, au publicat un articol interesant în revista științifică Nature. Materialul pentru ea a fost studiul razelor cosmice prin intermediul camerei de nor, în timpul căruia au primit informații curioase. Pe una dintre fotografiile realizate în timpul observării, o pereche de piese cu un început comun a fost clar vizibilă. Deoarece discrepanța seamănă cu latina V, ea a devenit imediat clară - sarcina acestor particule este cu siguranță diferită.

Oamenii de știință au presupus imediat că aceste urme indică faptul că s-au dezintegrat particule necunoscute, care nu au lăsat în urmă alte urme. Calculele au arătat că masa sa este de aproximativ 500 MeV, care este mult mai mare decât această valoare pentru un electron. Desigur, cercetătorii au apelat la descoperirea lor a unei particule V. Cu toate acestea, nu a fost încă un quark. Această particulă încă aștepta ceasul.

Totul începe doar

Din această descoperire totul a început. În 1949, în aceleași condiții, a fost descoperită o urmă a particulei, care a dat naștere la trei pioni odată. În curând sa dovedit că ea, precum și particula V, sunt reprezentanți complet diferiți ai familiei, constând din patru particule. Ulterior, au fost numiți K-mezoni (kaoni).

O pereche de caoni încărcați au o masă de 494 MeV, iar în cazul unei încărcări neutre, 498 MeV. Apropo, în 1947, oamenii de știință au fost destul de norocoși să surprindă cazul foarte rar al prăbușirii cadonului pozitiv, dar la acel moment nu au putut interpreta corect imaginea. Cu toate acestea, pentru a fi corect până la sfârșit, atunci, de fapt, prima observație a kaonului a fost făcută în 1943, dar informațiile despre acesta au fost aproape pierdute pe fondul numeroaselor publicații științifice postbelice.

Noi ciudățenii

Și mai mulți oameni de știință așteptau mai multe descoperiri. În anii 1950 și 1951, cercetătorii din universitățile din Manchester și Melbourne au reușit să găsească particule mult mai grele decât protonii și neutronii. Din nou nu avea nici o sarcină, ci se dezintegrează într-un proton și o bujor. Acesta din urmă, după cum poate fi înțeles, avea o taxă negativă. Noua particulă a fost desemnată prin scrisoare Lambda- (lambda).

Cu cât mai mult timp a trecut, cu atât mai multe întrebări au avut oamenii de știință. Problema a fost că particule noi au apărut exclusiv în interacțiuni atomice puternice, care se destrămau rapid în protoni și neutroni cunoscuți. În plus, au apărut mereu în perechi, nu au existat niciodată singure manifestări. Prin urmare, un grup de fizicieni din Statele Unite și Japonia au sugerat folosirea unui nou număr cuantic în descrierea lor - ciudățenia. Conform definiției lor, ciudățenia tuturor celorlalte particule cunoscute a fost egală cu zero.

Cercetări ulterioare

O descoperire în cercetare a avut loc numai după apariția unei noi sistematizări a hadronilor. Cea mai proeminentă figură în acest sens a fost izraelianul Yuval Neemann, care a schimbat cariera unui om militar remarcabil la calea la fel de genială a unui om de știință.

El a subliniat că deschis în momentul în care mezoni și barionii degradare, formând un grup de particule multipleți conexe. Membrii fiecărei asociații au exact aceeași ciudățenie, dar opus încărcărilor electrice. Deoarece interacțiunile nucleare cu adevărat puternice de la încărcăturile electrice nu depind deloc, în orice altceva, particulele din multiplet arata ca gemenii perfecți.

Oamenii de știință au sugerat că un fel de simetrie naturală este responsabil pentru apariția unor astfel de formațiuni și au reușit în curând să o găsească. Sa dovedit a fi o generalizare simplă a grupului de spin SU (2), pe care oamenii de știință din întreaga lume au folosit pentru a descrie numerele cuantice. Dar numai în acel moment erau deja cunoscuți 23 de hadroni, iar spatele lor era egal cu 0, frac12- sau întreaga unitate și, prin urmare, nu a fost posibilă utilizarea unei astfel de clasificări.

În consecință, a trebuit să utilizăm două numere cuantice pentru clasificare, ceea ce a dus la o creștere semnificativă a clasificării. A apărut grupul SU (3), care la începutul secolului a fost creat de matematicianul francez Eli Cartan. Pentru a determina poziția sistematică a fiecărei particule în ea, oamenii de știință au dezvoltat un program de cercetare. Cvark ulterior a intrat cu ușurință într-o serie sistematică, ceea ce a confirmat corectitudinea absolută a specialiștilor.

Noi numere cuantice

Astfel, oamenii de știință au abordat ideea utilizării numerelor cuantice abstracte, care au devenit hipercarii și spin izotopic. Cu toate acestea, cu același succes este posibil să se ia o ciudățenie și o încărcătură electrică. Această schemă a fost denumită în mod condiționat Calea de 8 ori. Aceasta este o analogie cu budismul, unde sunt necesare opt nivele pentru a ajunge la nirvana. Cu toate acestea, toate acestea sunt versuri.

Neemann și colegul său, Gell-Mann, și-au publicat lucrările în 1961, iar numărul de mezone cunoscute nu a depășit șapte. Dar în lucrările lor cercetătorii nu au ezitat să menționeze probabilitatea ridicată a existenței celui de-al optulea mezon. În aceeași perioadă din 1961, teoria lor a fost confirmată în mod strălucit. Particula găsită a fost numită acest meson (scrisoarea greacă eta-).

Alte descoperiri și experimente cu strălucire au confirmat corectitudinea absolută a clasificării SU (3). Această situație a devenit un stimulent puternic pentru cercetătorii care au descoperit că sunt pe drumul cel bun. Chiar și Gell-Mann însuși nu se îndoia că există în natură quarks. Opinii despre teoria sa nu au fost foarte pozitive, dar omul de știință era sigur de corectitudinea lui.

Aici sunt cuarcile!

În curând a fost publicat articolul "Modelul schematic al baryonilor și mezonilor". În aceasta, oamenii de știință au reușit să dezvolte în continuare ideea de sistematizare, care sa dovedit a fi atât de utilă. Ei au descoperit că SU (3) se presupune complet existența întregului tripleți fermioni, sarcină electrică, care variază de la 2/3 la 1/3 și 1/3, în cazul în care în tripletul o particulă este întotdeauna diferit ciudățenie nenul. Deja bine-cunoscute, Gell-Mann le-a numit "particule elementare de cuarci".

Potrivit acuzațiilor, le-a desemnat ca u, d și s (de la cuvintele în limba engleză în sus, în jos și ciudat). În conformitate cu noua schemă, fiecare baryon este format din trei cuarci dintr-o dată. Mesonii sunt mult mai simpli. Acestea includ un quark (această regulă este de neclintit) și un antiquark. Numai atunci comunitatea științifică a devenit conștientă de existența acestor particule, la care este dedicat articolul nostru.

Un fundal mai puțin

Acest articol, care a determinat în mare măsură dezvoltarea fizicii pentru anii următori, are un fond destul de curios. Gell-Mann sa gândit la existența unor astfel de tripleți cu mult înainte de publicarea sa, dar el nu a discutat ipotezele sale cu nimeni. Faptul că ipotezele sale despre existența particulelor care posedă o taxă fracționară arătau prostii. Cu toate acestea, după ce a vorbit cu un fizician teoretic, Robert Serber, a aflat că colegul său a făcut exact aceleași concluzii.

În plus, omul de știință a făcut singura concluzie corectă: existența unor astfel de particule este posibilă numai dacă acestea nu sunt fermioane libere, ci sunt parte a hadronilor. La urma urmei, în acest caz, acuzațiile lor formează un singur întreg! La început, Gell-Mann le-a numit quacks și chiar le-a menționat în MTI, dar reacția elevilor și profesorilor a fost foarte scăzută. De aceea, omul de știință sa gândit mult timp dacă ar trebui să-și ia cercetarea în fața instanței publice.

Chiar cuvântul "quark" (acest sunet asemănător cu un strigăt de rațe) a fost preluat din opera lui James Joyce. Destul de ciudat, dar savantul american a trimis articolul său în prestigiosul jurnal științific european Physics Letters, pentru că se temea în mod serios că o revizuire similară a nivelului ediției americane a Physical Review Letters nu va accepta pentru publicare. Apropo, dacă vrei să te uiți la cel puțin o copie a acelui articol - ai un drum direct spre același muzeu din Berlin. Quarks în expoziția sa nu sunt disponibile, însă istoria completă a descoperirii lor (mai precis, dovezi documentare) este.

Începutul revoluției quark

Din motive de justiție, este demn de remarcat că, aproape în același timp, un gând similar a fost atins de un om de știință de la CERN, George Zweig. La început, mentorul său era Gell-Mann și apoi Richard Feynman. Zweig a determinat, de asemenea, realitatea existenței fermionilor, care posedau taxe fractionale, le-a numit doar ași. Mai mult, fizicianul talentat a considerat, de asemenea, baryonii ca un triplet de cuarci și mezoni - ca o combinație între un quark și un antiquark.

Pur și simplu, studentul a repetat complet concluziile învățătorului său și complet în afară de el. Lucrarea lui a apărut chiar cu câteva săptămâni înainte de publicarea lui Mann, dar numai ca o "pregătire la domiciliu" a institutului. Cu toate acestea, prezența a două lucrări independente, concluziile pe care au fost aproape identice, a convins imediat pe unii oameni de știință despre fidelitatea teoriei propuse.

De la respingere la încredere

Dar mulți cercetători au acceptat această teorie departe de momentul imediat. Da, jurnaliștii și teoreticienii s-au îndrăgostit rapid de ea pentru claritatea și simplitatea ei, dar fizicienii seriosi au acceptat-o ​​abia după 12 ani. Nu-i dați vina pentru conservatorism excesiv. Faptul este că inițial teoria cuarcii a contrazis brusc principiul Pauli, pe care l-am menționat chiar la începutul articolului. Dacă presupunem că protonul conține o pereche de u-quarks și un singur quark, atunci primul trebuie să fie strict în aceeași stare cuantică. Potrivit lui Pauli, acest lucru este imposibil.

Apoi a apărut un număr cuantic suplimentar, exprimat sub forma unei culori (pe care am menționat-o și mai sus). În plus, a fost complet de neînțeles că modul în care particulele quark elementare interacționează între ele, de ce nu au loc speciile lor libere. Toate aceste secrete au ajutat la dezvăluirea Teoriei câmpurilor de ecartament, care "a fost adusă în minte" abia la jumătatea anilor `70. Aproximativ în același timp, teoria quark a hadronilor a fost încorporată organic în ea.

Dar cea mai puternică constrângere a dezvoltării teoriei este absența completă a cel puțin unor experimente experimentale care ar confirma atât existența în sine, cât și interacțiunea dintre cuarci între ele și cu alte particule. Și au început treptat să apară doar de la sfârșitul anilor `60, când dezvoltarea rapidă a tehnologiei a permis efectuarea unui experiment cu fluxuri electronice de protoni "prosvetivaniyu". Aceste experimente au făcut posibilă demonstrarea faptului că unele particule, numite inițial partoni, se "ascund" într-adevăr în interiorul protonilor. Ulterior, însă, am fost convinși că acest lucru nu era altceva decât un adevărat quark, dar nu sa întâmplat până la sfârșitul lui 1972.

Confirmare experimentală

Desigur, pentru condamnarea finală a comunității științifice, au fost necesare date mult mai experimentale. În 1964, James Bjorken și Sheldon Glashow (viitorul laureat al Premiului Nobel, de altfel) au sugerat, deși poate exista oa patra specie de cuarci, pe care l-au numit fermecata (fermecata).

Datorită acestei ipoteze, oamenii de știință din 1970 au fost capabili să explice numeroasele ciudățenii care au fost observate în decăderea kaonilor neutralizați. Patru ani mai târziu, două grupuri independente de fizicieni americani au reușit să fixeze decăderea mezonului, care a inclus doar un "quark" fermecat, precum și anticarul său. Nu este surprinzător faptul că acest eveniment a fost denumit imediat Revoluția din noiembrie. Pentru prima dată teoria cuarcii a primit mai mult sau mai puțin o confirmare "clară".

Importanța deschiderii numitului cel puțin faptul că managerul de proiect, Samuel Ting Burton Richter, a primit doi ani mai târziu, Premiul Nobel: Un eveniment este reflectat în mai multe articole. Unele dintre ele puteți vedea în original, dacă vizitați Muzeul de Știință din New York. Quarks, așa cum am spus deja, reprezintă o descoperire extrem de importantă a modernității și, prin urmare, o atenție deosebită le este acordată comunității științifice.

Ultimul argument

Numai în 1976, cercetătorii încă găseau o particulă cu farmec nenulos, un mezon neutru D. Aceasta este o combinație destul de complexă între un quark fermecat și u-antiquark. Aici, chiar și adversarii întăriți ai existenței quark-urilor au fost forțați să recunoască corectitudinea teoriei, descrisă mai întâi de mai bine de două decenii în urmă. Unul dintre cei mai faimoși fizicieni teoreticieni, John Ellis, a numit farmecul "o pârghie care a transformat lumea".

Curând, lista noilor descoperiri a venit și un cuplu de quarci foarte masive, de sus și de jos, care sunt cu ușurință să se refere cu deja adoptate la momentul comenzii de SU (3). În ultimii ani, oamenii de știință spun că există așa-numitele tetraquarks, pe care unii oameni de știință au numit deja "moleculele hadronice".

Câteva concluzii și concluzii

Trebuie să înțelegem că descoperirea și justificarea științifică a existenței unor cuarci pot fi într-adevăr considerate o revoluție științifică. Începutul acestei perioade poate fi considerat 1947 (în principiu, 1943), iar sfârșitul ei este descoperirea primului meson "fermecat". Se pare că durata ultimei descoperiri de până acum pentru un astfel de nivel este de 29 de ani (sau chiar 32 de ani)! Și tot acest timp a fost petrecut nu numai pentru a găsi un quark! Plasma plasmă glucată, ca obiect principal în univers, a atras atenția mult mai mult oamenilor de știință.

Cu toate acestea, cu cât domeniul de studiu devine mai dificil, cu atât mai mult timp este necesar pentru a face descoperiri cu adevărat importante. În ceea ce privește particulele pe care le discutăm, importanța unei astfel de invenții nu poate fi subestimată de nimeni. Studiind structura de cuarci, o persoană poate pătrunde mai adânc în secretele universului. Este posibil ca numai după un studiu complet al acestora să vedem cum a avut loc o explozie mare și în funcție de ce legi se dezvoltă Universul nostru. În orice caz, descoperirea lor a făcut posibilă convingerea multor fizicieni că realitatea care ne înconjoară este mult mai complicată decât ideile vechi.

Deci ați aflat ce este un quark. Această particulă în timpul ei a făcut multă zgomot în lumea științifică și chiar și astăzi cercetătorii sunt plini de speranțe pentru a-și dezvălui toate secretele.