Juuri vuosi sitten Peter Higgs ja François Engler saivat Nobel-palkinnon työstään subatomisten hiukkasten parissa. Se voi tuntua naurettav alta, mutta tiedemiehet tekivät löytönsä puoli vuosisataa sitten, mutta tähän mennessä niille ei ole annettu suurta merkitystä.
Vuonna 1964 kaksi lahjakkaampaa fyysikkoa esitti myös innovatiivisen teoriansa. Aluksi hän ei myöskään herättänyt melkein mitään huomiota. Tämä on outoa, koska hän kuvaili hadronien rakennetta, jota ilman voimakas atomien välinen vuorovaikutus ei ole mahdollista. Se oli kvarkkiteoria.
Mikä tämä on?
Mikä on muuten kvarkki? Tämä on yksi hadronin tärkeimmistä osista. Tärkeä! Tällä hiukkasella on "puoli" spin, ja se on itse asiassa fermion. Väristä riippuen (lisätietoja alla) kvarkin varaus voi olla yhtä kuin kolmasosa tai kaksi kolmasosaa protonin varauksesta. Mitä tulee väreihin, niitä on kuusi (kvarkkien sukupolvia). Niitä tarvitaan, jotta Paulin periaatetta ei rikota.
Perustiedot
Hadronien koostumuksessa nämä hiukkaset sijaitsevat etäisyydellä, joka ei ylitä rajausarvoa. Tämä selitetään yksinkertaisesti: ne vaihtavat mittarikentän vektoreita, eli gluoneja. Miksi kvarkki on niin tärkeä? Gluoniplasma (kyllästetty kvarkeilla) on aineen tila, jossa koko maailmankaikkeus sijaitsi heti alkuräjähdyksen jälkeen. Näin ollen kvarkkien ja gluonien olemassaolo on suora vahvistus siitä, että hän todella oli.
Niillä on myös oma värinsä, ja siksi he luovat liikkeen aikana virtuaalikopionsa. Vastaavasti kun kvarkkien välinen etäisyys kasvaa, niiden välinen vuorovaikutusvoima kasvaa merkittävästi. Kuten arvata saattaa, vuorovaikutus käytännössä katoaa minimietäisyydellä (asymptoottinen vapaus).
Siksi mikä tahansa vahva vuorovaikutus hadroneissa selittyy gluonien siirtymisellä kvarkkien välillä. Jos puhumme hadronien välisistä vuorovaikutuksista, ne selitetään pi-mesonin resonanssin siirrolla. Yksinkertaisesti sanottuna epäsuorasti kaikki riippuu jälleen gluonien vaihdosta.
Kuinka monta kvarkkia on nukleoneissa?
Jokainen neutroni koostuu d-kvarkiparista ja jopa yhdestä u-kvarkista. Jokainen protoni päinvastoin koostuu yhdestä d-kvarkista ja u-kvarkiparista. Muuten, kirjaimet määrätään kvanttilukujen mukaan.
Selitetään. Esimerkiksi beetahajoaminen selittyy nimenomaan nukleonin koostumuksessa olevan samantyyppisen kvarkin muuttumisella toiseksi. Selvyyden vuoksi tämä prosessi voidaan kirjoittaa kaavana seuraavasti: d=u + w (tämä on neutronien vaimeneminen). Vastaavasti,protoni kirjoitetaan hieman eri kaavalla: u=d + w.
Muuten, jälkimmäinen prosessi selittää neutriinojen ja positronien jatkuvan virtauksen suurista tähtijoukoista. Joten maailmankaikkeuden mittakaavassa on vain vähän niin tärkeitä hiukkasia kuin kvarkki: gluoniplasma, kuten olemme jo todenneet, vahvistaa alkuräjähdyksen tosiasian, ja näiden hiukkasten tutkimukset antavat tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää paremmin kvarkkien ydintä. maailma, jossa elämme.
Mikä on pienempi kuin kvarkki?
Mistä kvarkit muuten koostuvat? Niiden osahiukkaset ovat preoneja. Nämä hiukkaset ovat hyvin pieniä ja huonosti ymmärrettyjä, joten niistä ei vielä nykyäänkään tiedetä paljoa. Se on pienempi kuin kvarkki.
Mistä ne tulivat?
Tähän mennessä kaksi yleisintä hypoteesia preonien muodostumisesta: merkkijonoteoria ja Bilson-Thompsonin teoria. Ensimmäisessä tapauksessa näiden hiukkasten esiintyminen selittyy merkkijonojen värähtelyillä. Toinen hypoteesi viittaa siihen, että niiden esiintyminen johtuu tilan ja ajan virittyneestä tilasta.
Mielenkiintoista kyllä, toisessa tapauksessa ilmiö voidaan kuvata täysin käyttämällä spin-verkoston käyriä pitkin tapahtuvan rinnakkaissiirron matriisia. Juuri tämän matriisin ominaisuudet määräävät preonin ominaisuudet. Tästä kvarkit on tehty.
Joistain tuloksista yhteenvetona voidaan sanoa, että kvarkit ovat eräänlainen "kvantti" hadronien koostumuksessa. vaikuttunut? Ja nyt puhumme siitä, kuinka kvarkki löydettiin yleensä. Tämä on erittäin mielenkiintoinen tarina, joka lisäksi paljastaa täysin jotkin yllä kuvatuista vivahteista.
Oudot hiukkaset
Välittömästi toisen maailmansodan päätyttyä tiedemiehet alkoivat aktiivisesti tutkia subatomisten hiukkasten maailmaa, joka siihen asti näytti primitiivisen yksinkertaiselta (niiden ideoiden mukaan). Protonit, neutronit (nukleonit) ja elektronit muodostavat atomin. Vuonna 1947 löydettiin pionit (ja niiden olemassaolo ennustettiin jo vuonna 1935), jotka olivat vastuussa nukleonien keskinäisestä vetovoimasta atomiytimessä. Tälle tapahtumalle oli omistettu useampi kuin yksi tieteellinen näyttely kerralla. Kvarkkeja ei ollut vielä löydetty, mutta hyökkäys niiden "jälkiin" oli tulossa lähemmäksi.
Neutriinoja ei ollut vielä löydetty siihen mennessä. Mutta niiden näennäinen merkitys atomien beetahajoamisen selittämisessä oli niin suuri, että tutkijoilla ei ollut juurikaan epäilystä niiden olemassaolosta. Lisäksi joitain antihiukkasia on jo havaittu tai ennustettu. Ainoa asia, joka jäi epäselväksi, oli tilanne myonien kanssa, jotka muodostuivat pionien hajoamisen aikana ja siirtyivät sen jälkeen neutriinon, elektronin tai positronin tilaan. Fyysikot eivät ymmärtäneet, mitä varten tämä väliasema ylipäänsä oli.
Valitettavasti näin yksinkertainen ja vaatimaton malli ei kestänyt pionien löytämisen hetkeä kauaa. Vuonna 1947 kaksi englantilaista fyysikkoa, George Rochester ja Clifford Butler, julkaisivat mielenkiintoisen artikkelin tieteellisessä lehdessä Nature. Sen materiaalina oli heidän tutkiessaan kosmisia säteitä pilvikammion avulla, jonka aikana he saivat uteliasta tietoa. Yhdessä havainnoinnin aikana otetuista kuvista oli selvästi näkyvissä pari jälkeä, joilla oli yhteinen alku. Koska ero muistutti latinalaista V:tä, se tuli heti selväksi– näiden hiukkasten varaus on ehdottomasti erilainen.
Tutkijat olettivat välittömästi, että nämä jäljet osoittavat jonkin tuntemattoman hiukkasen hajoamisen, joka ei jättänyt muita jälkiä. Laskelmat ovat osoittaneet, että sen massa on noin 500 MeV, mikä on paljon suurempi kuin tämä elektronin arvo. Tietenkin tutkijat kutsuivat löytöään V-hiukkaseksi. Se ei kuitenkaan ollut vielä kvarkki. Tämä hiukkanen odotti edelleen siivissä.
Se on vasta alussa
Kaikki alkoi tästä löydöstä. Vuonna 1949 samoissa olosuhteissa löydettiin jälkeä hiukkasesta, joka synnytti kolme pionia kerralla. Pian kävi selväksi, että hän, samoin kuin V-partikkeli, ovat täysin erilaisia jäseniä neljästä hiukkasesta koostuvasta perheestä. Myöhemmin niitä kutsuttiin K-mesoneiksi (kaons).
Varatun kaoniparin massa on 494 MeV ja neutraalin varauksen tapauksessa 498 MeV. Muuten, vuonna 1947 tiedemiehet onnistuivat vangitsemaan saman erittäin harvinaisen tapauksen positiivisen kaonin hajoamisesta, mutta tuolloin he eivät yksinkertaisesti pystyneet tulkitsemaan kuvaa oikein. Ollakseni täysin oikeudenmukainen, itse asiassa ensimmäinen havainto kaonista tehtiin jo vuonna 1943, mutta tiedot tästä melkein katosivat lukuisten sodanjälkeisten tieteellisten julkaisujen taustalla.
Uusi kummallisuus
Ja sitten tutkijoita odotti lisää löytöjä. Vuosina 1950 ja 1951 Manchesterin ja Melnburgin yliopiston tutkijat onnistuivat löytämään protoneja ja neutroneja raskaampia hiukkasia. Siinä ei taaskaan ollut varausta, vaan se hajosi protoniksi ja pioniksi. Jälkimmäinen, kuten voidaan ymmärtää,negatiivinen varaus. Uuden hiukkasen nimeksi annettiin Λ (lambda).
Mitä enemmän aikaa kului, sitä enemmän kysymyksiä tiedemiehillä oli. Ongelmana oli, että uudet hiukkaset syntyivät yksinomaan vahvoista atomivuorovaikutuksista, jotka hajosivat nopeasti tunnetuiksi protoneiksi ja neutroneiksi. Lisäksi ne esiintyivät aina pareittain, yksittäisiä ilmentymiä ei koskaan ollut. Siksi joukko fyysikoita Yhdysvalloista ja Japanista ehdotti uuden kvanttiluvun - outouden - käyttöä kuvauksessaan. Heidän määritelmänsä mukaan kaikkien muiden tunnettujen hiukkasten omituisuus oli nolla.
Lisätutkimus
Tutkimuksen läpimurto tapahtui vasta uuden hadronien systematisoinnin syntymisen jälkeen. Näkyvin hahmo tässä oli israelilainen Yuval Neaman, joka muutti erinomaisen sotilasmiehen uran yhtä loistavaksi tiedemiehen poluksi.
Hän huomasi, että siihen mennessä löydetyt mesonit ja baryonit hajoavat muodostaen klusterin toisiinsa liittyviä hiukkasia, multiplettejä. Jokaisen tällaisen yhdistyksen jäsenillä on täsmälleen sama omituisuus, mutta vastakkaiset sähkövaraukset. Koska todella vahvat ydinvuorovaikutukset eivät riipu lainkaan sähkövarauksista, muilta osin multipletin hiukkaset näyttävät täydellisiltä kaksosilta.
Tutkijat ehdottivat, että jokin luonnollinen symmetria on vastuussa tällaisten muodostumien esiintymisestä, ja pian he onnistuivat löytämään sen. Se osoittautui yksinkertaiseksi yleistykseksi SU(2)-spin ryhmästä, jota tutkijat ympäri maailmaa käyttivät kvanttilukujen kuvaamiseen. Tässävasta tuolloin tiedettiin jo 23 hadronia, joiden spinit olivat 0, ½ tai kokonaislukuyksikkö, joten tällaista luokittelua ei voitu käyttää.
Tämän seurauksena luokittelussa jouduttiin käyttämään kahta kvanttilukua kerralla, minkä vuoksi luokitusta laajennettiin merkittävästi. Näin syntyi ryhmä SU(3), jonka ranskalainen matemaatikko Elie Cartan loi vuosisadan alussa. Jokaisen hiukkasen systemaattisen sijainnin määrittämiseksi siinä tutkijat ovat kehittäneet tutkimusohjelman. Myöhemmin kvarkki pääsi helposti systemaattiseen sarjaan, mikä vahvisti asiantuntijoiden ehdottoman oikeellisuuden.
Uusia kvanttilukuja
Joten tiedemiehet keksivät idean käyttää abstrakteja kvanttilukuja, joista tuli hypervaraus ja isotooppinen spin. Oudot ja sähkövaraus voidaan kuitenkin ottaa samalla menestyksellä. Tätä järjestelmää kutsuttiin perinteisesti kahdeksanosaiseksi poluksi. Tämä vangitsee analogian buddhalaisuuden kanssa, jossa ennen kuin saavutat nirvanan, sinun täytyy myös käydä läpi kahdeksan tasoa. Tämä kaikki on kuitenkin sanoituksia.
Neeman ja hänen kollegansa Gell-Mann julkaisivat työnsä vuonna 1961, ja silloin tunnettujen mesonien määrä ei ylittänyt seitsemää. Mutta työssään tutkijat eivät pelänneet mainita kahdeksannen mesonin olemassaolon suurta todennäköisyyttä. Samana vuonna 1961 heidän teoriansa vahvistettiin loistavasti. Löydetyn hiukkasen nimeksi annettiin eta meson (kreikkalainen kirjain η).
Lisähavainnot ja kirkkautta koskevat kokeet vahvistivat SU(3)-luokituksen absoluuttisen oikeellisuuden. Tästä tilanteesta on tullut voimakaskannustin tutkijoille, jotka ovat huomanneet olevansa oikealla tiellä. Edes Gell-Mann itse ei enää epäillyt kvarkien olemassaoloa luonnossa. Arviot hänen teoriastaan eivät olleet liian myönteisiä, mutta tiedemies oli varma, että hän oli oikeassa.
Tässä ovat kvarkit
Pian julkaistiin artikkeli "Baryonien ja mesonien kaavamainen malli". Siinä tutkijat pystyivät kehittämään edelleen ideaa systematisoinnista, joka osoittautui niin hyödylliseksi. He havaitsivat, että SU(3) sallii täysin kokonaisten fermionitriplettien olemassaolon, joiden sähkövaraus vaihtelee välillä 2/3 - 1/3 ja -1/3, ja tripletissä yhdellä hiukkasella on aina nollasta poikkeava omituisuus. Meille jo hyvin tuttu Gell-Mann kutsui niitä "kvarkin alkuainehiukkasiksi".
Syytösten mukaan hän nimesi ne u:ksi, d:ksi ja s:ksi (englannin sanoista ylös, alas ja outo). Uuden järjestelmän mukaisesti jokainen baryoni muodostuu kolmesta kvarkista kerralla. Mesonit ovat paljon yksinkertaisempia. Niihin kuuluu yksi kvarkki (tämä sääntö on horjumaton) ja antikvarkki. Vasta sen jälkeen tiedeyhteisö tuli tietoiseksi näiden hiukkasten olemassaolosta, joille artikkelimme on omistettu.
Hieman lisää taustaa
Tällä artikkelilla, joka pitkälti määräsi fysiikan kehityksen tuleviksi vuosiksi, on melko utelias tausta. Gell-Mann pohti tällaisten kolmosten olemassaoloa jo kauan ennen niiden julkaisua, mutta ei keskustellut oletuksistaan kenenkään kanssa. Tosiasia on, että hänen oletuksensa murtovarauksilla olevien hiukkasten olemassaolosta näyttivät hölynpölyltä. Keskusteltuaan tunnetun teoreettisen fyysikon Robert Serberin kanssa hän kuitenkin sai tietää, että hänen kollegansateki täsmälleen samat johtopäätökset.
Lisäksi tiedemies teki ainoan oikean johtopäätöksen: tällaisten hiukkasten olemassaolo on mahdollista vain, jos ne eivät ole vapaita fermioneja, vaan ovat osa hadroneja. Todellakin, tässä tapauksessa heidän maksunsa muodostavat yhden kokonaisuuden! Aluksi Gell-Mann kutsui niitä kvarkeiksi ja jopa mainitsi ne MTI:ssä, mutta opiskelijoiden ja opettajien reaktio oli hyvin hillittyä. Siksi tiedemies pohti hyvin pitkään, pitäisikö hänen luovuttaa tutkimuksensa yleisölle.
Juuri sana "kvarkki" (ääni, joka muistuttaa ankkojen huutoa) on otettu James Joycen teoksista. Kummallista kyllä, mutta amerikkalainen tiedemies lähetti artikkelinsa arvostettuun eurooppalaiseen Physics Letters -tieteelliseen aikakauslehteen, koska hän pelkäsi vakavasti, että Physical Review Lettersin amerikkalaisen painoksen toimittajat, tasoltaan samanlaiset, eivät hyväksy sitä julkaistavaksi. Muuten, jos haluat katsoa ainakin kopion tuosta artikkelista, sinulla on suora tie samaan Berliinin museoon. Hänen esityksessään ei ole kvarkeja, mutta niiden löytämisestä on olemassa täydellinen historia (tarkemmin sanottuna asiakirjatodisteet).
Kvarkkivallankumouksen alku
Ollakseni rehellinen, on huomattava, että melkein samaan aikaan CERNin tiedemies George Zweig tuli samanlaiseen ajatukseen. Ensin Gell-Mann itse oli hänen mentorinsa ja sitten Richard Feynman. Zweig määritteli myös fermionien olemassaolon todellisuuden, joilla oli murtovarauksia ja jotka kutsuivat niitä vain ässiksi. Lisäksi lahjakas fyysikko piti baryoneja kvarkkikolmikona ja mesoneja kvarkkien yhdistelmänä.ja antiikki.
Yksinkertaisesti sanottuna oppilas toisti täysin opettajansa johtopäätökset ja täysin erillään hänestä. Hänen teoksensa ilmestyi jopa pari viikkoa ennen Mannin julkaisua, mutta vain instituutin "kotitekoisena" työnä. Kuitenkin kahden itsenäisen teoksen läsnäolo, joiden johtopäätökset olivat lähes identtiset, sai jotkin tutkijat välittömästi vakuuttuneeksi ehdotetun teorian oikeellisuudesta.
Hylkäämisestä luottamukseen
Mutta monet tutkijat hyväksyivät tämän teorian läheskään välittömästi. Kyllä, toimittajat ja teoreetikot rakastuivat siihen nopeasti sen selkeyden ja yksinkertaisuuden vuoksi, mutta vakavat fyysikot hyväksyivät sen vasta 12 vuoden kuluttua. Älä syytä heitä siitä, että he ovat liian konservatiivisia. Tosiasia on, että alun perin kvarkkiteoria oli jyrkästi ristiriidassa Paulin periaatteen kanssa, jonka mainitsimme artikkelin alussa. Jos oletetaan, että protoni sisältää parin u-kvarkkeja ja yhden d-kvarkin, niin ensimmäisen on oltava tiukasti samassa kvanttitilassa. Paulin mukaan tämä on mahdotonta.
Silloin ilmestyi ylimääräinen kvanttiluku, joka ilmaistaan värinä (jonka mainitsimme myös yllä). Lisäksi oli täysin käsittämätöntä, kuinka kvarkkien alkuainehiukkaset ylipäätään ovat vuorovaikutuksessa keskenään, miksi niiden vapaita lajikkeita ei esiinny. Kaikkia näitä salaisuuksia auttoi suuresti selvittämään mittakenttien teoria, joka "muistui mieleen" vasta 70-luvun puolivälissä. Samoihin aikoihin siihen sisällytettiin orgaanisesti hadronien kvarkkiteoria.
Mutta ennen kaikkea teorian kehitystä jarrutti ainakin joidenkin kokeellisten kokeiden täydellinen puuttuminen,mikä vahvistaisi kvarkkien olemassaolon ja vuorovaikutuksen keskenään ja muiden hiukkasten kanssa. Ja ne alkoivat vähitellen ilmestyä vasta 60-luvun lopusta, kun tekniikan nopea kehitys mahdollisti kokeen protonien "lähetyksestä" elektronivirroilla. Juuri nämä kokeet tekivät mahdolliseksi todistaa, että jotkut hiukkaset todella "piilossa" protonien sisällä, joita alun perin kutsuttiin partoneiksi. Myöhemmin he olivat kuitenkin vakuuttuneita siitä, että tämä ei ollut muuta kuin todellinen kvarkki, mutta tämä tapahtui vasta vuoden 1972 lopussa.
Kokeellinen vahvistus
Tietenkin tarvittiin paljon enemmän kokeellista tietoa tiedeyhteisön vihdoin vakuuttamiseksi. Vuonna 1964 James Bjorken ja Sheldon Glashow (muuten, tuleva Nobel-palkinnon voittaja) ehdottivat, että voisi olla olemassa myös neljäs kvarkkilaji, jota he kutsuivat hurmautuneiksi.
Tämän hypoteesin ansiosta tiedemiehet pystyivät jo vuonna 1970 selittämään monia kummallisuuksia, joita havaittiin neutraalisti varautuneiden kaonien hajoamisen aikana. Neljä vuotta myöhemmin kaksi itsenäistä amerikkalaisten fyysikkojen ryhmää onnistui kerralla korjaamaan mesonin hajoamisen, joka sisälsi vain yhden "viehätyn" kvarkin sekä sen antikvarkin. Ei ole yllättävää, että tätä tapahtumaa kutsuttiin heti marraskuun vallankumoukseksi. Ensimmäistä kertaa kvarkkiteoria sai enemmän tai vähemmän "visuaalista" vahvistusta.
Löydön tärkeyden todistaa se, että projektin johtajat Samuel Ting ja Barton Richter ovat jo läpikäyneetvastaanottivat Nobel-palkintonsa kahdeksi vuodeksi: tämä tapahtuma näkyy monissa artikkeleissa. Voit nähdä joitain niistä alkuperäisessä, jos vierailet New Yorkin luonnontieteiden museossa. Kuten olemme jo todenneet, kvarkit ovat aikamme erittäin tärkeä löytö, ja siksi niihin kiinnitetään paljon huomiota tiedeyhteisössä.
Lopullinen argumentti
Vuonna 1976 tutkijat löysivät yhden hiukkasen, jolla oli nollasta poikkeava viehätys, neutraalin D-mesonin. Tämä on melko monimutkainen yhdistelmä yhdestä hurmaavasta kvarkista ja u-antikvarkista. Täällä jopa paatuneet kvarkkien olemassaolon vastustajat pakotettiin myöntämään teorian oikeellisuus, joka todettiin ensimmäisen kerran yli kaksi vuosikymmentä sitten. Yksi kuuluisimmista teoreettisista fyysikoista, John Ellis, kutsui charmia "vivuksi, joka käänsi maailman ympäri".
Pian uusien löytöjen listalle sisältyi pari erityisen massiivista kvarkkia, ylä- ja alaosa, jotka voitiin helposti korreloida jo tuolloin hyväksyttyyn SU(3) systematisointiin. Viime vuosina tiedemiehet ovat puhuneet niin kutsuttujen tetrakvarkkien olemassaolosta, joita jotkut tutkijat ovat jo kutsuneet "hadronimolekyyleiksi".
Joitakin johtopäätöksiä
Sinun on ymmärrettävä, että kvarkkien olemassaolon löytöä ja tieteellistä perustetta voidaan todellakin turvallisesti pitää tieteellisenä vallankumouksena. Vuotta 1947 (periaatteessa 1943) voidaan pitää sen alkuna, ja sen loppu osuu ensimmäisen "lumotun" mesonin löytämiseen. Osoittautuu, että tämän tason viimeisen löydön kesto tähän mennessä on vähintään 29 vuotta (tai jopa 32 vuotta)! Ja kaikki tämäaikaa ei käytetty vain kvarkin löytämiseen! Koska gluoniplasma on maailmankaikkeuden ensisijainen esine, se sai pian paljon enemmän tutkijoiden huomiota.
Mitä monimutkaisemmaksi tutkimusalue kuitenkin tulee, sitä enemmän aikaa kuluu todella tärkeiden löytöjen tekemiseen. Mitä tulee hiukkasiin, joista keskustelemme, kukaan ei voi aliarvioida tällaisen löydön merkitystä. Tutkimalla kvarkkien rakennetta ihminen pystyy tunkeutumaan syvemmälle maailmankaikkeuden salaisuuksiin. On mahdollista, että vasta niiden täydellisen tutkimuksen jälkeen voimme selvittää, kuinka alkuräjähdys tapahtui ja minkä lakien mukaan universumimme kehittyy. Joka tapauksessa juuri heidän löytönsä teki mahdolliseksi vakuuttaa monet fyysikot siitä, että meitä ympäröivä todellisuus on paljon monimutkaisempi kuin aiemmat ideat.
Olet siis oppinut, mitä kvarkki on. Tämä hiukkanen aiheutti aikoinaan paljon melua tieteellisessä maailmassa, ja nykyään tutkijat ovat täynnä toiveita paljastaa vihdoin kaikki salaisuutensa.
