Just aasta tagasi said Peter Higgs ja François Engler subatomiliste osakeste alal tehtud töö eest Nobeli preemia. See võib tunduda naeruväärne, kuid teadlased tegid oma avastused pool sajandit tagasi, kuid siiani pole neile suurt tähtsust omistatud.
1964. aastal tulid oma uuendusliku teooriaga välja ka kaks andekamat füüsikut. Alguses ei äratanud ta ka peaaegu mingit tähelepanu. See on kummaline, kuna ta kirjeldas hadronite struktuuri, ilma milleta pole tugevat aatomitevahelist interaktsiooni võimalik. See oli kvarkide teooria.
Mis see on?
Muide, mis on kvark? See on hadroni üks olulisemaid komponente. Tähtis! Sellel osakesel on "pool" spin, mis on tegelikult fermion. Sõltuv alt värvist (sellest lähem alt allpool) võib kvargi laeng olla võrdne ühe kolmandiku või kahe kolmandikuga prootoni laengust. Mis puutub värvidesse, siis neid on kuus (kvarkide põlvkonnad). Neid on vaja selleks, et Pauli põhimõtet ei rikutaks.
Põhilineüksikasjad
Hadronite koostises asuvad need osakesed kaugusel, mis ei ületa suletusväärtust. Seda seletatakse lihts alt: nad vahetavad mõõtevälja vektoreid, st gluuone. Miks on kvark nii oluline? Gluoonplasma (küllastunud kvarkidega) on aine olek, milles vahetult pärast suurt pauku asus kogu universum. Seega on kvarkide ja gluoonide olemasolu otsene kinnitus, et ta tõesti oli.
Neil on ka oma värv ja seetõttu loovad nad liikumise ajal oma virtuaalsed koopiad. Seega, kui kvarkide vaheline kaugus suureneb, suureneb nendevaheline interaktsiooni jõud oluliselt. Nagu võite arvata, siis minimaalsel kaugusel interaktsioon praktiliselt kaob (asümptootiline vabadus).
Seega on igasugune tugev vastastikmõju hadronites seletatav gluoonide üleminekuga kvarkide vahel. Kui räägime hadronite vastastikmõjudest, siis seletatakse neid pi-mesoni resonantsi ülekandega. Lihtsam alt öeldes taandub kaudselt kõik jällegi gluoonide vahetamisele.
Mitu kvarki on nukleonites?
Iga neutron koosneb paarist d-kvargist ja isegi ühest u-kvargist. Iga prooton, vastupidi, koosneb ühest d-kvargist ja paarist u-kvargist. Muide, tähed määratakse sõltuv alt kvantnumbritest.
Selgitame. Näiteks beeta-lagunemist seletatakse täpselt ühe nukleoni koostises oleva sama tüüpi kvargi muundumisega teiseks. Selguse huvides võib selle protsessi kirjutada järgmise valemiga: d=u + w (see on neutronite lagunemine). vastav altprooton kirjutatakse veidi erineva valemiga: u=d + w.
Muide, just viimane protsess seletab neutriinode ja positronite pidevat voogu suurtest täheparvedest. Seega on universumi mastaabis vähe nii olulisi osakesi kui kvark: gluoonplasma, nagu me juba ütlesime, kinnitab suure paugu fakti ja nende osakeste uuringud võimaldavad teadlastel paremini mõista selle olemust. maailm, milles me elame.
Mis on väiksem kui kvark?
Muide, millest kvargid koosnevad? Nende koostisosakesed on preoonid. Need osakesed on väga väikesed ja halvasti mõistetavad, nii et isegi tänapäeval ei teata neist palju. See on väiksem kui kvark.
Kust nad tulid?
Praegu on kaks levinumat preoonide tekke hüpoteesi: stringiteooria ja Bilsoni-Thompsoni teooria. Esimesel juhul on nende osakeste ilmumine seletatav stringide võnkumisega. Teine hüpotees viitab sellele, et nende ilmumise põhjuseks on ruumi ja aja ergastatud olek.
Huvitav on see, et teisel juhul saab nähtust täielikult kirjeldada, kasutades paralleelülekande maatriksit mööda spin-võrgu kõveraid. Just selle maatriksi omadused määravad preoni omadused. Sellest kvargid on valmistatud.
Mõned tulemused kokku võttes võib öelda, et kvargid on hadronite koostises omamoodi "kvandid". Muljet avaldanud? Ja nüüd räägime sellest, kuidas kvark üldiselt avastati. See on väga huvitav lugu, mis lisaks sellele paljastab täielikult mõned ülalkirjeldatud nüansid.
Imelikud osakesed
Kohe pärast II maailmasõja lõppu asusid teadlased aktiivselt uurima subatomaarsete osakeste maailma, mis seni näis (nende ideede järgi) primitiivselt lihtne. Prootonid, neutronid (nukleonid) ja elektronid moodustavad aatomi. 1947. aastal avastati pionid (ja nende olemasolu ennustati juba 1935. aastal), kes vastutasid nukleonide vastastikuse ligitõmbamise eest aatomituumas. Sellele sündmusele oli korraga pühendatud rohkem kui üks teadusnäitus. Kvarke ei olnud veel avastatud, kuid nende "jälje" ründamise hetk hakkas lähenema.
Neutriinosid polnud selleks ajaks veel avastatud. Kuid nende näiline tähtsus aatomite beetalagunemise selgitamisel oli nii suur, et teadlased ei kahtlenud nende olemasolus. Lisaks on mõned antiosakesed juba avastatud või ennustatud. Ainus, mis selgusetuks jäi, oli olukord müüonidega, mis tekkisid pioonide lagunemise käigus ja läksid seejärel neutriino, elektroni või positroni olekusse. Füüsikud ei saanud aru, milleks see vahejaam üldse on.
Paraku nii lihtne ja vähenõudlik mudel ei elanud pojengide avastamise hetke kaua üle. 1947. aastal avaldasid kaks inglise füüsikut George Rochester ja Clifford Butler teadusajakirjas Nature huvitava artikli. Selle materjaliks oli nende uurimine kosmiliste kiirte kohta pilvekambri abil, mille käigus nad said uudishimulikku teavet. Ühel vaatluse käigus tehtud fotol oli selgelt näha ühise algusega jäljepaar. Kuna lahknevus meenutas ladina V, sai see kohe selgeks– nende osakeste laeng on kindlasti erinev.
Teadlased oletasid kohe, et need jäljed viitavad mõne tundmatu osakese lagunemisele, mis ei jätnud muid jälgi. Arvutused on näidanud, et selle mass on umbes 500 MeV, mis on palju suurem kui see elektroni väärtus. Loomulikult nimetasid teadlased oma avastust V-osakeseks. Siiski polnud see veel kvark. See osake ootas endiselt tiibades.
See on alles algus
Kõik sai alguse sellest avastusest. 1949. aastal avastati samadel tingimustel osakese jälg, millest tekkis korraga kolm pioni. Peagi sai selgeks, et tema, nagu ka V-osake, on neljast osakesest koosneva perekonna täiesti erinevad esindajad. Edaspidi nimetati neid K-mesoniteks (kaons).
Laetud kaoonide paari mass on 494 MeV ja neutraallaengu korral 498 MeV. Muide, 1947. aastal õnnestus teadlastel tabada just seesama väga haruldane positiivse kaoni lagunemise juhtum, kuid toona ei osanud nad pilti lihts alt õigesti tõlgendada. Aus alt öeldes tehti kaoni esimene vaatlus juba 1943. aastal, kuid teave selle kohta läks arvukate sõjajärgsete teaduspublikatsioonide taustal peaaegu kaduma.
Uus veidrus
Ja siis ootas teadlasi ees veel avastusi. 1950. ja 1951. aastal õnnestus Manchesteri ja Melnburgi ülikooli teadlastel leida prootonitest ja neutronitest palju raskemaid osakesi. Sellel polnud jällegi laengut, vaid lagunes prootoniks ja piooniks. Viimane, nagu aru võib saada,negatiivne laeng. Uus osake sai nimeks Λ (lambda).
Mida aeg edasi, seda rohkem küsimusi teadlastel tekkis. Probleem seisnes selles, et uued osakesed tekkisid eranditult tugevatest aatomite vastasmõjudest, lagunedes kiiresti teadaolevateks prootoniteks ja neutroniteks. Lisaks ilmusid nad alati paarikaupa, üksikuid ilminguid polnud kunagi. Seetõttu soovitas rühm USA ja Jaapani füüsikuid oma kirjelduses kasutada uut kvantarvu – kummalisust. Nende määratluse kohaselt oli kõigi teiste teadaolevate osakeste kummalisus null.
Täiendavad uuringud
Läbimurre uurimistöös toimus alles pärast hadronite uue süstematiseerimise tekkimist. Selle silmapaistvaim tegelane oli Iisraeli Yuval Neaman, kes muutis silmapaistva sõjaväelase karjääri sama säravaks teadlaseks.
Ta märkas, et selleks ajaks avastatud mesonid ja barüonid lagunevad, moodustades seotud osakeste, multiplettide klastri. Iga sellise ühenduse liikmetel on täpselt sama veidrus, kuid vastupidised elektrilaengud. Kuna tõeliselt tugevad tuuma vastasmõjud ei sõltu üldse elektrilaengutest, siis kõigis muudes aspektides näevad multipleti osakesed välja nagu täiuslikud kaksikud.
Teadlased väitsid, et selliste moodustiste väljanägemise põhjuseks on teatud loomulik sümmeetria, ja peagi õnnestus neil see leida. Selgus, et see on lihtne üldistus SU(2) spin-rühmast, mida teadlased üle maailma kasutasid kvantarvude kirjeldamiseks. Siinalles selleks ajaks oli teada juba 23 hadronit ja nende spinnid olid võrdsed 0, ½ või täisarvu ühikuga ning seetõttu ei olnud võimalik sellist klassifikatsiooni kasutada.
Sellest tulenev alt tuli klassifitseerimiseks kasutada korraga kahte kvantarvu, mille tõttu klassifikatsioon oluliselt laienes. Nii tekkis rühmitus SU(3), mille lõi sajandi alguses prantsuse matemaatik Elie Cartan. Iga osakese süstemaatilise asukoha määramiseks selles on teadlased välja töötanud uurimisprogrammi. Seejärel sisenes kvark kergesti süstemaatilisse seeriasse, mis kinnitas ekspertide absoluutset õigsust.
Uued kvantarvud
Nii tulid teadlased välja idee kasutada abstraktseid kvantarve, millest sai hüperlaeng ja isotoopne spin. Kummalisust ja elektrilaengut saab aga sama eduk alt võtta. Seda skeemi nimetati tavapäraselt kaheksaosaliseks teeks. See tabab analoogiat budismiga, kus enne nirvaanasse jõudmist tuleb läbida ka kaheksa taset. See kõik on aga laulusõnad.
Neeman ja tema kolleeg Gell-Mann avaldasid oma töö 1961. aastal ja siis teadaolevate mesonite arv ei ületanud seitset. Kuid oma töös ei kartnud teadlased mainida kaheksanda mesoni olemasolu suurt tõenäosust. Samal 1961. aastal leidis nende teooria hiilgav alt kinnitust. Leitud osake sai nimeks eta meson (kreeka täht η).
Edasised leiud ja heleduse katsed kinnitasid SU(3) klassifikatsiooni absoluutset õigsust. See asjaolu on muutunud võimsaksstiimul teadlastele, kes on leidnud, et nad on õigel teel. Isegi Gell-Mann ise ei kahelnud enam, et looduses on kvarke. Arvustused tema teooria kohta ei olnud liiga positiivsed, kuid teadlane oli kindel, et tal oli õigus.
Siin on kvargid
Varsti ilmus artikkel "Barüonide ja mesonite skemaatiline mudel". Selles said teadlased edasi arendada süstematiseerimise ideed, mis osutus nii kasulikuks. Nad leidsid, et SU(3) võimaldab üsnagi tervete fermioonikolmikute olemasolu, mille elektrilaeng jääb vahemikku 2/3 kuni 1/3 ja -1/3 ning kolmikus on ühel osakesel alati nullist erinev kummalisus. Meile juba tuntud Gell-Mann nimetas neid "kvarki elementaarosakesteks".
Vastav alt süüdistustele määras ta neile u, d ja s (ingliskeelsetest sõnadest üles, alla ja kummaline). Uue skeemi kohaselt moodustab iga barüon korraga kolm kvarki. Mesonid on palju lihtsamad. Nende hulka kuuluvad üks kvark (see reegel on vankumatu) ja antikvark. Alles pärast seda sai teadusringkond nende osakeste olemasolust teadlikuks, millele meie artikkel on pühendatud.
Natuke rohkem tausta
Sellel artiklil, mis määras suuresti füüsika arengu aastateks ette, on üsna uudishimulik taust. Gell-Mann mõtles seda tüüpi kolmikute olemasolule juba ammu enne selle avaldamist, kuid ei arutanud oma oletusi kellegagi. Fakt on see, et tema oletused murdosa laenguga osakeste olemasolu kohta tundusid jaburad. Kuid pärast vestlust väljapaistva teoreetilise füüsiku Robert Serberiga sai ta teada, et tema kolleegtegi täpselt samad järeldused.
Pealegi tegi teadlane ainsa õige järelduse: selliste osakeste olemasolu on võimalik ainult siis, kui need ei ole vabad fermioonid, vaid on osa hadronitest. Tõepoolest, sel juhul moodustavad nende laengud ühtse terviku! Algul nimetas Gell-Mann neid kvarkideks ja mainis neid isegi MTI-s, kuid õpilaste ja õpetajate reaktsioon oli väga vaoshoitud. Seetõttu mõtles teadlane väga kaua, kas ta peaks oma uurimistöö avalikkusele esitama.
Sõna "kvark" (hääl, mis meenutab partide kisa) on võetud James Joyce'i teosest. Kummalisel kombel saatis Ameerika teadlane oma artikli mainekale Euroopa teadusajakirjale Physics Letters, kuna kartis tõsiselt, et tasemelt sarnase Physical Review Lettersi Ameerika väljaande toimetajad ei võta seda avaldamiseks vastu. Muide, kui soovite vaadata vähem alt selle artikli koopiat, on teil otsene tee samasse Berliini muuseumi. Tema ekspositsioonis pole kvarke, kuid on olemas täielik nende avastamise ajalugu (täpsem alt dokumentaalsed tõendid).
Kvarkide revolutsiooni algus
Aus alt öeldes tuleb märkida, et peaaegu samal ajal jõudis sarnasele ideele ka CERNi teadlane George Zweig. Esiteks oli tema mentor Gell-Mann ise ja seejärel Richard Feynman. Zweig määras kindlaks ka fraktsionaalsete laengutega fermioonide olemasolu, nimetades neid ainult ässadeks. Veelgi enam, andekas füüsik pidas barüone ka kvarkide trioks ja mesoneid kvarkide kombinatsiooniks.ja antikvark.
Lihtsam alt öeldes kordas õpilane täielikult oma õpetaja järeldusi ja oli temast täiesti lahus. Tema looming ilmus isegi paar nädalat enne Manni ilmumist, kuid ainult instituudi "kodukootud" teosena. Kuid just kahe sõltumatu töö olemasolu, mille järeldused olid peaaegu identsed, veenis mõnda teadlast kohe väljapakutud teooria õigsuses.
Keeldumisest usalduseni
Kuid paljud teadlased ei nõustunud selle teooriaga kohe. Jah, ajakirjanikud ja teoreetikud armusid sellesse kiiresti selle selguse ja lihtsuse pärast, kuid tõsised füüsikud võtsid selle omaks alles 12 aasta pärast. Ärge süüdistage neid liiga konservatiivses olemises. Fakt on see, et algselt läks kvarkide teooria terav alt vastuollu Pauli põhimõttega, mida mainisime artikli alguses. Kui eeldame, et prooton sisaldab paari u-kvarki ja ühte d-kvarki, siis esimene peab olema rangelt samas kvantseisundis. Pauli sõnul on see võimatu.
See on siis, kui ilmus täiendav kvantarv, mis on väljendatud värvina (mida me ka eespool mainisime). Lisaks oli täiesti arusaamatu, kuidas kvarkide elementaarosakesed omavahel üldiselt suhtlevad, miks nende vabu sorte ei esine. Kõiki neid saladusi aitas suuresti lahti harutada gabariidiväljade teooria, mis “tules meelde” alles 70. aastate keskel. Umbes samal ajal lisati sellesse orgaaniliselt hadronite kvarkide teooria.
Kuid ennekõike pidurdas teooria arengut vähem alt mõne eksperimentaalse katse puudumine,mis kinnitaks nii kvarkide olemasolu kui ka vastastikmõju omavahel ja teiste osakestega. Ja need hakkasid järk-järgult ilmuma alles 60ndate lõpust, kui tehnoloogia kiire areng võimaldas läbi viia katse prootonite "edastamiseks" elektronvoogude abil. Just need katsed võimaldasid tõestada, et prootonites, mida algselt nimetati partoniteks, "peidusid" mõned osakesed. Hiljem olid nad siiski veendunud, et see pole midagi muud kui tõeline kvark, kuid see juhtus alles 1972. aasta lõpus.
Katsekinnitus
Loomulikult oli vaja palju rohkem eksperimentaalseid andmeid, et lõpuks teadusringkonda veenda. 1964. aastal pakkusid James Bjorken ja Sheldon Glashow (muide, tulevane Nobeli preemia laureaat), et võib olla ka neljandat tüüpi kvarke, mida nad nimetasid võluvaks.
Just tänu sellele hüpoteesile suutsid teadlased juba 1970. aastal selgitada paljusid veidrusi, mida täheldati neutraalselt laetud kaoonide lagunemisel. Neli aastat hiljem õnnestus kahel sõltumatul Ameerika füüsikute rühmal korraga fikseerida mesoni lagunemine, mille hulka kuulus vaid üks "võlutud" kvark ja ka selle antikvark. Pole üllatav, et seda sündmust nimetati kohe Novembrirevolutsiooniks. Esimest korda sai kvarkide teooria enam-vähem "visuaalset" kinnitust.
Avastuse olulisust tõendab tõsiasi, et projekti juhid Samuel Ting ja Barton Richter on juba läbi teinudvõtsid kaheks aastaks vastu Nobeli preemia: seda sündmust kajastatakse paljudes artiklites. Kui külastate New Yorgi loodusteaduste muuseumi, näete mõnda neist originaalis. Kvargid, nagu me juba ütlesime, on meie aja äärmiselt oluline avastus ja seetõttu pööratakse neile teadusringkondades palju tähelepanu.
Lõplik argument
Alles 1976. aastal leidsid teadlased ühe nullist erineva võluga osakese, neutraalse D-mesoni. See on üsna keeruline kombinatsioon ühest võlutud kvargist ja u-antikvargist. Siin olid isegi kvarkide olemasolu paadunud vastased sunnitud tunnistama enam kui kaks aastakümmet tagasi esmakordselt välja öeldud teooria õigsust. Üks kuulsamaid teoreetilisi füüsikuid John Ellis nimetas võlu "hoovaks, mis pööras maailma ümber".
Varsti oli uute avastuste nimekirjas paar eriti massiivset ülemist ja alumist kvarki, mida võis hõlpsasti korreleerida tol ajal juba aktsepteeritud SU(3) süstematiseeringuga. Viimastel aastatel on teadlased rääkinud niinimetatud tetrakvarkide olemasolust, mida mõned teadlased on juba nimetanud "hadroni molekulideks".
Mõned järeldused ja järeldused
Te peate mõistma, et kvarkide olemasolu avastamist ja teaduslikku põhjendust võib tõepoolest ohutult pidada teadusrevolutsiooniks. Selle alguseks võib pidada aastat 1947 (põhimõtteliselt 1943) ja selle lõpp langeb esimese "nõiutud" mesoni avastamisele. Selgub, et selle taseme viimase avastuse kestus on praeguseks olnud mitte vähem kui 29 aastat (või isegi 32 aastat)! Ja seda kõikeaega ei kulutatud ainult kvargi leidmiseks! Universumi ürgobjektina äratas gluoonplasma teadlastelt peagi palju rohkem tähelepanu.
Siiski, mida keerulisemaks õppevaldkond muutub, seda rohkem kulub aega tõeliselt oluliste avastuste tegemiseks. Mis puudutab osakesi, millest me arutame, siis keegi ei saa alahinnata sellise avastuse tähtsust. Kvarkide ehitust uurides on inimesel võimalik tungida sügavamale universumi saladustesse. Võimalik, et alles pärast nende täielikku uurimist saame teada, kuidas suur pauk toimus ja milliste seaduste järgi meie Universum areneb. Igal juhul võimaldas just nende avastus veenda paljusid füüsikuid, et meid ümbritsev reaalsus on palju keerulisem kui kunagised ideed.
Nii et olete õppinud, mis on kvark. See osake tekitas omal ajal teadusmaailmas palju müra ja tänapäeval on teadlased täis lootust paljastada lõpuks kõik selle saladused.
