Quark - er, at en partikel? Find ud af, hvad det består af kvarker. Hvad partikel mindre end en kvark?

Kun et år siden, Peter Higgs og Fransua Engler vandt Nobelprisen for sit arbejde, som var afsat til studiet af subatomare partikler. Dette kan synes latterligt, men hans opdagelser forskere har lavet et halvt århundrede siden, men den dag i dag de ikke gav dog lidt big deal.

I 1964, to mere talentfulde fysiker også udført med sin banebrydende teori. I første omgang hun også tiltrukket næsten ingen opmærksomhed. Det er underligt, fordi det beskrives strukturen af hadroner, som er uundværlige for nogen stærk interatomar interaktion. Dette var teorien om kvarker.

Hvad er det?

Af den måde, hvad er en kvark? Dette er en af de vigtigste bestanddele i en Hadron. Vigtigt! Denne partikel har en "halv" spin faktisk at være en fermion. Afhængigt af farven (se nedenfor) kvark ladning kan være lig med den tredje eller to tredjedele af ladningen af en proton. Som for farverne, hvoraf der er seks (generation af kvarker). De er nødvendige for ikke at krænke princippet om Pauli.

grundlæggende oplysninger

Som en del af disse partikler hadroner er i en afstand, der ikke overstiger værdien af indespærring. Grunden er enkel: de udveksler vektorer gauge felt, det vil sige de gluoner. Hvorfor er det så vigtigt kvark? Gluon plasma (mættet kvarker) - en tilstand af stof i hvilken hele universet umiddelbart efter Big Bang. I overensstemmelse hermed eksistensen af kvarker og gluoner - en direkte bekræftelse af, at han faktisk var.

De har også deres egen farve, men på grund af bevægelsen skabe deres virtuelle kopier. Følgelig når afstanden mellem kvark kraft mellem dem betydeligt. Som man kan forestille sig, med en afstand på interaktion minimal praktisk forsvinder (asymptotisk frihed).

En hvilken som helst stærk vekselvirkning i hadroner følge af overgangen af gluoner mellem kvarker. Hvis vi taler om samspillet mellem hadroner, forklarer overførsel af pi-meson resonans. Kort sagt, alle indirekte igen reduceret til udveksling af gluoner.

Hvor kvark del af nukleonerne?

Hver neutron består af et par af d-kvark og tazhe enkelt u-kvark. Hver proton Tværtimod - det indre d-kvark par U-kvark. Af den måde taler, bliver bogstaverne placeret afhængigt af kvantetal.

Lad os forklare. For eksempel er betahenfald forklaret helt omdannelsen af en af samme type kvark i en nukleon præparat til et andet. Til bedre forstås som en formel denne proces kan skrives således: d = u + w (denne neutron henfald). Følgelig er proton skrevet lidt anden formel: u = d + w.

Det er i øvrigt den sidstnævnte proces forklares ved en stadig strøm af neutrinoer og positroner for de store stjernehobe. Så omfanget af universet lidt mindre vigtigt partikel, som er et kvark-gluon plasma, som vi allerede har sagt, bekræfter Big Bang, og studiet af disse partikler tillader forskerne til bedre at forstå essensen af den verden, vi lever.

Med mindre end en kvark?

Af den måde, hvad det består af kvarker? De er en del preons. Disse partikler er meget små og dårligt forstået, så selv i dag, de er kendt for ikke så meget. Her er mindre kvarker.

Hvor kom de fra?

I dag er den mest almindelige form preons to hypoteser: string og teorien af Bilson-Thompson. I det første tilfælde, forekomsten af data partikel forklaret streng svingning. Den anden hypotese antyder, at deres udseende er forårsaget af den exciterede tilstand af rum og tid.

Det er interessant, at i det andet tilfælde er det muligt at beskrive fænomenet, under anvendelse af en matrix af parallel transport langs kurver af spin netværk. Egenskaberne af denne matrix selv og bestemme dem, for preons. Det er, hvad det består af kvarker.

Opsummerende kan vi sige, at kvarkerne - en slags "kvanter" i sammensætningen af hadroner. Imponeret? Og nu vil vi tale om, hvordan man kan gøre, var åben for kvark. Dette er en meget spændende historie, der blandt andet, fuldt afslører nogle detaljer er beskrevet ovenfor.

mærkelige partikler

Umiddelbart efter afslutningen af Anden Verdenskrig, har forskerne begyndt at aktivt at udforske verden af subatomare partikler, der hidtil havde syntes at bare primitiv (for visning). Protoner, neutroner (nukleoner) atom og elektroner dannes. I 1947 åbnede han pæoner (og forudsagde dens eksistens i 1935) der var ansvarlige for den gensidige tiltrækning af nukleonerne i kernen af atomer. Denne begivenhed er ikke en videnskabelig udstilling var afsat i sin tid. Kvarker var endnu ikke åben, men tidspunktet for angrebet på deres "fodaftryk" var ved at blive tættere.

Neutrinoer dengang endnu ikke er blevet opdaget. Men deres indlysende betydning at forklare betahenfald af atomer var så stor, at forskerne har megen tvivl om deres eksistens. Hertil kommer, at der allerede opdage eller forudsige nogle antipartikler. Situationen forblev uklart kun med myoner som dannes under henfald af pioner og derefter en overgang til neutrinoer, elektron- eller positron. Fysikere forstod ikke, hvorfor jeg har brug for denne mellemstation.

Ak, sådan en enkel og uhøjtidelig model meget kort overlevede åbningen af pioner. I 1947, to engelske fysiker Dzhordzh Rochester og Clifford Butler, offentliggjorde en nysgerrig artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature. Hun tjente som materiale til deres undersøgelse af kosmiske stråler gennem skyen kammer, hvor de modtog prelyubopytny oplysninger. På et af billederne taget til fange under observation, det var tydeligt et par numre med en fælles oprindelse. Da forskellen var ligesom latin V, derefter blev det klart - afgiften af disse partikler er absolut anderledes.

Forskere engang antaget, at disse spor tyder det faktum af sammenbruddet af nogle ukendt partikel, der ikke er efterladt andre spor. Beregninger viste, at dens masse - omkring 500 MeV, som er meget større end denne værdi for elektronen. Selvfølgelig har forskerne opkaldt deres åbning V-partikel. Dette var imidlertid ikke den kvark. Denne partikel var stadig venter i kulissen.

Kun begyndelsen

Med denne opdagelse, det hele startede. I 1949, under de samme betingelser partiklens spor blev fundet, som gav anledning til blot tre pioner. Det blev hurtigt klart, at hun, såvel som V-bit - helt forskellige medlemmer af familien, der består af fire partikler. Senere blev de kaldt K-mesoner (kaons).

Et par af ladede kaons har en masse 494 MeV, og i tilfælde af neutral ladning - 498 MeV. I øvrigt, i 1947, videnskabsmænd havde held til at fange netop den samme meget sjældne tilfælde af en positiv Kaon henfalder, men dengang de var bare ikke i stand til at fortolke billedet korrekt. , At være helt fair, Men det er faktisk den første observation af en Kaon blev lavet tilbage i 1943, men oplysninger om det næsten var tabt på baggrund af talrige efterkrigstidens videnskabelige publikationer.

nye mærkværdigheder

Og så forskerne ventede yderligere opdagelser. I 1950 og 1951 forskere fra universiteterne i Manchester og Melnburskogo lykkedes at finde en partikel er meget tungere end protoner og neutroner. Hun havde igen uden beregning, men henfalder til en proton og en pion. Sidstnævnte, som du kan fortælle, havde en negativ ladning. En ny partikel betegnet med bogstavet Λ (lambda).

Jo mere tid der gik, opstår flere spørgsmål fra forskerne. Problemet var, at de nye partikler udelukkende produceres af de stærke nukleare interaktioner, hurtigt bryder sammen til dannelse af protoner og neutroner. Desuden er de altid vises i par, de enkelte manifestationer aldrig gjorde. Derfor er en gruppe af fysikere fra USA og Japan foreslået at anvende i deres beskrivelse af et nyt kvantetal - en mærkværdighed. Ifølge deres definition, det mærkværdige af alle andre kendte partikler nul.

yderligere forskning

Gennembrud i forskningsundersøgelser indtraf først efter fremkomsten af en ny systematisering af hadroner. En fremtrædende skikkelse i dette var den israelske Yuval Ne'eman, der ændrede hans fremragende militære karriere at være så genial videnskabsmand.

Han påpegede, at den åbne på det tidspunkt, mesoner og baryoner henfald, der danner en klynge af forbundne partikler multipletter. Medlemmer af hver sådan forening strangeness besidder fuldstændig ens, men modsatte elektriske ladninger. Så hvordan gør den stærke kernekraft vekselvirkning af elektriske ladninger afhænger ikke, i hele resten af multipletter partikler ser perfekte tvillinger.

Forskere har foreslået, at forekomsten af sådanne formationer opfylder visse naturlige symmetri, og snart var de i stand til at finde hende. Det var en simpel generalisering af spin gruppe SU (2), som forskere rundt om i verden til at beskrive de kvantetal. Det er bare på det tidspunkt allerede var kendt 23 hadroner, og ryggen var lig med 0, ½ eller hele enheden, så brug denne klassificering ikke var mulig.

Som et resultat, det skulle bruges til klassificering, når to kvantetal, hvilket i høj grad udvidet klassificeringen. Og der var en gruppe af SU (3), som i begyndelsen af århundredet af den franske matematiker Elie Cartan. For at bestemme den taksonomiske placering af hver partikel i det, har det forskningsprogram blevet udviklet af forskere. Quark efterfølgende nemt indgået en systematisk række, som bekræftede den absolutte rigtigheden af eksperter.

Ny kvantetal

Så forskerne er kommet til tanken om at bruge en abstrakt kvantetal, som bliver hypercharge og isotopiske spin. Men med den samme succes er det muligt at tage den mærkværdige og elektrisk ladning. Denne ordning er blevet konventionelt opkaldt ottefoldige vej. Dette er fanget analogi med buddhismen, hvor man kan opnå nirvana også nødt til at passere de otte niveauer. Men alt dette tekster.

Neeman hans arbejde og hans kollega, Gell-Mann, offentliggjort i 1961, og antallet af de dengang kendte mesoner ikke oversteg syv. Men i deres papir, forskerne var ikke bange for at nævne den høje sandsynlighed for eksistensen af den ottende mesonen. Også i 1961, deres teori glimrende bekræftet. Fundet en partikel kaldet eta meson (det græske bogstav η).

Yderligere opdagelser og eksperimenter glimrende bekræftet rigtigheden af den absolutte klassifikation af SU (3). Dette blev et stærkt incitament til at forskere, der har fundet, at de er på rette spor. Selv Gell-Mann var ikke i tvivl i det faktum, at i naturen er der kvarker. Anmeldelser af hans teorier var ikke meget positivt, men den videnskabsmand var overbevist om, at han havde ret.

Her og kvarker!

Snart efter artiklen "En skematisk model af baryoner og mesoner." I det, forskerne var i stand til at videreudvikle ideen om systematisering, som har vist sig så nyttig. De fandt, at SU (3) er helt forudsætter eksistensen af hele trillinger fermioner, den elektriske ladning varierer fra 2/3 til 1/3 og 1/3, hvor i triplet ene partikel er altid anderledes nonzero strangeness. Allerede velkendt for os Gell-Mann kaldte dem "elementære partikler kvarker."

Ifølge anklagerne, mærket han dem som u, d og s (fra de engelske ord op, ned og mærkelig). I overensstemmelse med den nye ordning, hver dannet af tre baryon kvark. Mesoner er anbragt meget lettere. De indeholder en kvark (denne regel er uforanderlig) og et antikvark. Først efter at det videnskabelige samfund blev opmærksom på eksistensen af disse partikler, som er genstand for vores artikel.

Lidt mere historie

Denne artikel, som i vid udstrækning bestemt fysikkens udvikling i de kommende år, har en temmelig interessant historie. Gell-Mann tænkte på eksistensen af sådanne trillinger længe før offentliggørelsen, men ingen til at diskutere deres antagelser. Det faktum, at hans antagelse om eksistensen af partikler, der har en fraktioneret afgift, lignede volapyk. efter en samtale med en enestående teoretisk fysiker Robert Serber lært Men han, at hans kollega har gjort præcis de samme konklusioner.

Hertil kommer, at videnskabsmand gjorde det eneste rigtige konklusion, at eksistensen af sådanne partikler er kun muligt, hvis de ikke er frie fermioner, og er en del af hadroner. Ja, i dette tilfælde, er deres gebyrer integreret! Først og Gell-Mann kaldte dem kvorkami og selv nævnt dem i MTI, men reaktionen af elever og lærere var meget afdæmpet. Derfor er en videnskabsmand i lang tid på at tænke over, om han skulle gøre sin forskning til offentligheden.

Ordet "kvark" (dette lyde som råbet fra ænderne) blev taget fra værker af James Joyce. Mærkeligt nok, men den amerikanske forsker sendte sin artikel i det ansete europæiske videnskabelige tidsskrift Physics Letters, fordi alvorligt bange for, at en lignende revision af niveauet for den amerikanske udgave af Physical Review Letters ikke vil acceptere den til offentliggørelse. Af den måde, hvis du ønsker at søge i det mindste en kopi af artiklen - du direkte vej til det samme Berlin museum. Kvarker i hans fremstilling ikke er tilgængelig, men den fulde historie om deres opdagelse (eller rettere, dokumentation) er.

Begyndende kvark revolution

Retfærdigvis skal det bemærkes, at næsten samtidigt til den samme tanke kom fra CERN forsker, Dzhordzh Tsveyg. Først hans mentor var selv Gell-Mann, og derefter Richard Feynman. Zweig definerede også virkeligheden i fermioner, som havde en fraktioneret afgift, men kaldte dem esser. Desuden er en dygtig fysiker betragtes også baryoner som de tre kvarker og mesoner - som en kombination af en kvark og en antikvark.

Kort sagt, elev af sin lærer konklusioner fuldt gentog, helt bortset fra det. Hans arbejde har optrådt endda et par uger før offentliggørelsen af Mann, men kun som en "hjemmelavet" institution. Men det er tilstedeværelsen af to uafhængige værker, hvor resultaterne var stort set identisk, når overbevist nogle forskere troskab til den foreslåede teori.

Fra afvisning til at stole på

Men mange forskere har taget denne teori er ikke det samme. Ja, journalister og teoretikere hurtigt blev forelsket i hende for klarhed og enkelhed, men alvorlige fysikere har accepteret det først efter så lang tid som 12 år. Du bør ikke bebrejde dem for overdreven konservatisme. Det faktum, at den oprindelige teori om kvarker i skarp kontrast til udelukkelse princippet Pauli, som vi nævnte i starten af denne artikel. Hvis vi antager, at proton indeholder et par U-kvarker og den eneste d-kvark, skal den første være strengt i samme kvantetilstand. Ifølge Pauli, det er umuligt.

Det var derefter og der var en yderligere kvantetal, udtrykt som en farve (som vi har nævnt ovenfor). Desuden er det uklart, hvor generel kvark elementarpartikler interagerer med hinanden, hvorfor så ikke opfylde deres frie arter. Alle disse mysterier i høj grad været med optrævle måleren feltteori, som "bragt til at tænke på" kun i de midterste 70'erne. Omkring samme tid, kvark teorien om hadroner naturligt indgår i det.

Men mest af alt hæmmet udviklingen af teorien om den fuldstændige mangel på i det mindste nogle af de eksperimentelle forsøg, der ville bekræfte både eksistensen og samspillet mellem kvarker og andre partikler. Og de efterhånden begyndte at dukke op først i slutningen af 60'erne, da den hurtige udvikling af teknologi tilladt for oplevelsen af en "transmission" elektronstråler af protoner. Det er disse erfaringer har lov til at bevise, at der inde protoner virkelig "skjule" nogle partikler, som oprindeligt blev kaldt partons. Efterfølgende stadig overbevist om, at det er ikke noget som en sand kvark, men det var først i slutningen af 1972.

eksperimentel bekræftelse

Selvfølgelig, for de endelige videnskabelige samfund overbevisninger det tog en langt mere eksperimentelle data. I 1964 har James Bjorken og Sheldon Glashow (kommende nobelpristager, ved den måde) foreslået, selv om der kan være en fjerde kvark arter, som de navngivne charmed (charmed).

Det er takket være denne hypotese, videnskabsfolk i 1970 var i stand til at forklare de mange mærkværdigheder som er blevet observeret i forfald af neutrale kaons ladede. Efter fire år, blot to uafhængige gruppe amerikanske fysikere var i stand til at løse meson forfald, som omfattede kun én "charmeret" kvark og dens antikvark. Det er ikke underligt, at denne begivenhed engang døbt i november revolution. For første gang kvark teori var mere eller mindre "visuel" bekræftelse.

Betydningen af åbningen af det i det mindste, at projektlederen, Samuel Ting og Burton Richter, to år senere fik sin Nobelpris: En hændelse er afspejlet i mange artikler. Med nogle af dem kan du finde i den oprindelige, hvis du besøger New York Museum of Natural History. Kvarker, og som vi allerede har sagt - en meget vigtig opdagelse i moderne tid, og derfor opmærksomhed i det videnskabelige samfund har betalt til dem meget.

ultima ratio

Kun i 1976, forskerne fandt en partikel med ikke-nul charme, den neutrale D-meson. Dette er en temmelig kompleks kombination af en charmeret kvark og u-antikvark. Her selv de inkarnerede fjender af eksistensen af kvarker blev tvunget til at indrømme sandheden i teorien, først beskrevet mere end to årtier siden. En af de mest berømte teoretiske fysikere, Dzhon Ellis, kaldet charmen af "løftestang, der ændrede verden."

Snart listen over nye opdagelser kom ind og et par meget massive kvarker, top og bund, som er let i stand til at forholde sig med den allerede vedtagne på tidspunktet for bestilling af SU (3). I de seneste år, videnskabsfolk siger, at der er såkaldte Tetraquarks at nogle forskere har døbt "Hadron molekyler."

Nogle af de resultater og konklusioner

Det skal forstås, at åbningen og den videnskabelige begrundelse for eksistensen af kvarker, i virkeligheden, kan du roligt gå ud fra, at den videnskabelige revolution. Det kan betragtes begyndelsen af 1947 (faktisk 1943), og i slutningen af det falder på den første opdagelse af "Charmed" mesoner. Det viser sig, at varigheden af den sidste dato for åbningen af et sådant niveau er, hverken mere eller mindre, så mange som 29 år (eller endda 32 år)! Og al denne tid er blevet brugt ikke kun af hensyn til at finde en kvark! Gluon plasma som det primære formål i universet tiltrak hurtigt langt mere opmærksomme på forskerne.

Men jo mere komplekst bliver det, en fagområde, jo længere det tager at udføre de virkelig vigtige opdagelser. Og da vi diskuterer partiklerne, kan betydningen af denne opdagelse ikke undervurdere nogen. Undersøge strukturen af kvarker, vil personen kunne trænge dybere ind mysterier universet. Det er muligt, at først efter færdiggøre deres studier vi kan lære, hvordan big bang og universet udvikler sig i henhold til hvilke love. Under alle omstændigheder er det muligt at åbne dem for at overbevise mange fysikere, at virkeligheden omkring os er langt vanskeligere fortid forestillinger.

Så du ved, hvad en kvark. Denne partikel dengang skabte sensation i den videnskabelige verden, og i dag forskere håber endelig afslører alle sine hemmeligheder.