Quark - je to, že částice? Zjistěte si, co se skládá z kvarků. Co se částice menší než kvark?

Pouze před rokem dostali Peter Higgs a François Engler Nobelovu cenu za svou práci, která byla věnována studiu subatomických částic. To se může zdát nesmyslné, ale vědci dělali své objevy před půl stoletím, ale dodnes jim nebyla věnována žádná velká pozornost.

V roce 1964 se objevili i další talentovaní fyzici se svou průkopnickou teorií. Nejprve se také nedala pozornost. To je zvláštní, protože popisuje strukturu hadronů, bez nichž není možná žádná interatomická interakce. To byla teorie kvarků.

Co to je?

Mimochodem, co je to kvark? Jedná se o jednu z nejdůležitějších složek hadronu. Důležité! Tato částice má "napůl" točení, ve skutečnosti je to fermion. V závislosti na barvě (viz níže) může být náboj kvarku rovný jedné třetině nebo dvě třetině náboje protonu. Pokud jde o barvy, existuje šest (generace kvarků). Jsou potřebné, aby nebyl porušován princip Pauliho.

Základní informace

Ve struktuře hadronů se tyto částice nacházejí ve vzdálenosti, která nepřesahuje hodnotu omezení. To je vysvětleno jednoduše: výměna vektorů pole měřidla, to jest gluonů. Proč je kvark tak důležitý? Gluonová plazma (nasycená kvarky) je stav hmoty, ve kterém byl celý vesmír umístěn bezprostředně po velkém třesku. Proto existence kvarků a gluonů je přímým potvrzením skutečnosti, že to opravdu bylo.

Mají také svou vlastní barvu, a proto vytvářejí virtuální kopie během pohybu. Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi kvarky se zvyšuje, interakční síla mezi nimi se značně zvyšuje. Jak můžete odhadnout, s minimální vzdáleností, interakce prakticky zmizí (asymptotická svoboda).

Takže jakákoli silná interakce v hadronech je vysvětlena přechodem gluonů mezi kvarky. Pokud hovoříme o interakcích mezi hadrony, vysvětlují je přenos rezonance pionu. Jednoduše řečeno, nepřímo všechno se zmenšuje na výměnu gluonů.

Kolik kvarků je součástí nukleonů?

Každý neutron se skládá z dvojice d-kvarků a jednoho u-kvarku. Každý proton, na druhou stranu, je tvořen jedním d kvarkem a dvojicí u-kvarků. Mimochodem, jsou písmena umístěna v závislosti na kvantových číslech.

Vysvětlete. Například rozklad beta lze vysvětlit pouze transformací jednoho z těchž kvarků v nukleonu na jiný. Abychom lépe porozuměli, ve formě vzorce může být tento proces napsán takto: d = u + w (jedná se o neutronový úpadek). Proto je proton napsán trochu odlišným vzorem: u = d + w.

Mimochodem, poslední proces vysvětluje konstantní tok neutrin a pozitronů z velkých hvězdokup. Takže na stupnici Vesmíru existuje několik tak důležitých částic, jako je kvark: gluonová plazma, jak již jsme řekla, potvrzuje skutečnost velkého výbuchu a výzkum těchto částic umožňuje vědcům seznámit se s podstatou světa, ve kterém žijeme.

Co je menší než kvark?

Mimochodem, z čeho se skládají kvarky? Jejich součástí jsou předkové. Tyto částice jsou velmi malé a špatně pochopené, takže i dnes nejsou příliš známé. To je méně než kvarku.

Odkud pocházejí?

K dnešnímu dni jsou nejběžnější dvě hypotézy pro formování preonů: teorie strun a teorie Bilson-Thompson. V prvním případě je výskyt těchto částic vysvětlen oscilací řetězců. Druhá hypotéza naznačuje, že jejich vzhled je způsoben vzrušeným stavem prostoru a času.

Je zajímavé, že v druhém případě je tento fenomén zcela popsán pomocí matice paralelního transportu podél křivek spinové sítě. Vlastnosti této matice samy o sobě a předurčují vlastnosti pro preon. To se skládá z kvarků.

Shrnutím některých výsledků lze říci, že kvarky jsou ve složení hadronů zvláštním "kvantou". Zapůsobil? A teď budeme hovořit o tom, jak byl vůbec nalezen kvark. Jedná se o velmi fascinující příběh, který mimo jiné plně odhaluje některé z výše popsaných odstínů.

Zvláštní částice

Bezprostředně po skončení druhé světové války začali vědci aktivně zkoumat svět subatomických částic, které až do té doby vypadaly primitivní (podle těchto pojmů) primitivních. Protony, neutrony (nukleony) a elektrony tvoří atom. V roce 1947 byly objeveny pony (a předpověděly jejich existenci již v roce 1935), které byly zodpovědné za vzájemné přitahování nukleů v jádru atomů. Tato událost ve své době byla věnována více než jedné vědecké výstavě. Kvarky ještě nebyly otevřené, ale čas útoku na jejich "stopu" se blížil.

Neutrinové nebyly v té době objeveny. Ale jejich zřejmá důležitost pro vysvětlení beta rozpadu atomů byla tak velká, že vědci neměli pochybnosti o jejich existenci. Některé antičástice byly navíc detekovány nebo předpověděny. Pouze situace s muony, které vznikly během rozpadu pionů, zůstala nejasná a následně prošla do stavu neutrinu, elektronu nebo pozitronu. Fyzikanti nechápali, proč je tato mezilehlá stanice vůbec zapotřebí.

Bohužel, ale takový jednoduchý a nenáročný model nepřežil okamžik zjištění pionu. V roce 1947 dva anglické fyzikové, George Rochester a Clifford Butler, vydali jeden zajímavý článek ve vědeckém časopise Nature. Materiálem pro ni byla studium kosmických paprsků pomocí mrakové komory, během které obdržely zvláštní informace. Na jedné z fotografií pořízených během pozorování bylo jasně vidět pár stop s běžným počátkem. Vzhledem k tomu, že rozdíl se podobal latinskému V, okamžitě se ukázalo - náboj těchto částic je zcela odlišný.

Vědci okamžitě předpokládali, že tyto stopy ukazují na skutečnost, že se rozpadly některé neznámé částice, které nezanechaly další stopy. Výpočty ukázaly, že jeho hmotnost je asi 500 MeV, což je mnohem větší než tato hodnota pro elektron. Samozřejmě výzkumníci nazvali jejich objev V-částice. Nicméně, nebylo to ještě kvark. Tato částicka ještě čekala na svou hodinu.

Vše začíná

Z tohoto objevu začalo všechno. V roce 1949, za stejných podmínek, byla objevena stopa částice, která vedla ke vzniku tří pionů najednou. Brzy se ukázalo, že ona, stejně jako V-částice, jsou zcela odlišní zástupci rodiny, která se skládá ze čtyř částic. Následně byly nazývány K-mezony (kaony).

Pár nabitých kaonů má hmotnost 494 MeV a v případě neutrálního náboje 498 MeV. Mimochodem, v roce 1947 byli vědci natolik šťastní, že zachytili velmi vzácný případ kolapsu pozitivního kaonu, ale v té době prostě nemohli správně interpretovat obraz. Nicméně, jestliže to být spravedlivé až do konce, pak ve skutečnosti první pozorování kaon bylo děláno v roce 1943, ale informace o tom byly téměř ztraceny na pozadí četných poválečných vědeckých publikací.

Nové strašidelnosti

A další vědci čekali na další objevy. V letech 1950 a 1951 byli vědci z univerzit v Manchesteru a Melbourne schopni najít částice mnohem těžší než protony a neutrony. Znovu to nemělo žádný poplatek, ale rozpadlo se na proton a pivoňku. Ten, jak lze chápat, měl negativní náboj. Nová částic byla označena písmenem Λ (lambda).

Čím více času uplynulo, tím víc vědců měli. Problém spočíval v tom, že nové částice se objevily výlučně v silných atomových interakcích a rychle se rozpadly na známé protony a neutrony. Kromě toho se vždy objevovaly ve dvojicích, nikdy nebyly žádné jediné projevy. To je důvod, proč skupina fyziků z USA a Japonska navrhla použití nového kvantového čísla v popisu - zvláštnosti. Podle jejich definice byla cizinec všech ostatních známých částic nula.

Další výzkum

Průlom ve výzkumu nastaly až po vzniku nové systemizace hadronů. Nejvýznamnější postavou v tomto případě byl izraelský Yuval Neaman, který změnil kariéru vynikajícího vojenského muže na stejně brilantní cestu vědce.

Upozornil na skutečnost, že mezony a baryony objevené v té době se rozpadly a tvořily shluk souvisejících částic, multipletů. Členové každého takového sdružení mají přesně stejnou zvláštnost, ale naproti elektrickým nábojům. Jelikož opravdu silné jaderné interakce z elektrických nábojů vůbec nezávisí, ve všech ostatních částech z multipletu vypadají perfektní dvojčata.

Vědci navrhli, že nějaká přirozená symetrie je zodpovědná za vznik takových útvarů a brzy je našli. Ukázalo se, že jde o jednoduché zobecnění spinové skupiny SU (2), kterou vědci z celého světa používali k popisu kvantových čísel. Teprve tehdy bylo známo 23 hadronů, jejichž rotace se rovná 0, ½ nebo celé jednotce, a proto nebylo možné tuto klasifikaci použít.

V důsledku toho jsme pro klasifikaci museli použít dvě kvantová čísla, což výrazně zvýšilo klasifikaci. Takže zde byla skupina SU (3), kterou na počátku století vytvořil francouzský matematik Eli Cartan. K určení systematické pozice každé částice v něm vědci vyvinuli výzkumný program. Quark následně snadno vstoupil do systematické série, která potvrdila absolutní korektnost specialistů.

Nové kvantová čísla

Takže vědci se přiblížili myšlence využití abstraktních kvantových čísel, které se staly hyperpriemením a izotopickým odstřeďováním. Stejným úspěchem však můžete dosáhnout zvláštnosti a elektrického náboje. Tento režim byl podmíněně nazýván Osminásobnou cestou. To je analogie s buddhismem, kde před dosažením nirvány musíte také projít osm úrovní. To vše jsou však texty.

Neemann a jeho kolega Gell-Mann publikovali své dílo v roce 1961 a počet známých mezonů nepřesáhl sedm. Ale ve své práci výzkumníci neváhali zmínit vysokou pravděpodobnost existence osmého mezonu. Ve stejném roce 1961 byla jejich teorie brilantně potvrzena. Část nalezená byla nazývána tímto mezonem (řecké písmeno η).

Další nálezy a pokusy s brilantností potvrdily absolutní správnost klasifikace SU (3). Tato okolnost se stala silným podnětem pro výzkumníky, kteří zjistili, že jsou na správné cestě. Dokonce i samotný Gell-Mann nepochyboval o existenci kvarků v přírodě. Hodnocení jeho teorie nebylo příliš pozitivní, ale vědec byl přesvědčen o jeho správnosti.

Zde jsou kvarky!

Brzy byl publikován článek "Schematický model baryonů a mezonů". Vědci byli schopni dále rozvíjet myšlenku systematizace, která se ukázala být tak užitečná. Zjistili, že SU (3) zcela připouští existenci celých trojic fermionů, jejichž elektrický náboj se pohybuje od 2/3 do 1/3 a -1/3, a v tripletu jedna částice se vždy vyznačuje nenulovou zvláštností. Jsme již dobře známí, Gell-Mann je nazval "elementárními kvarkovými částicemi".

Podle obvinění je označil jako u, d a s (z anglických slov nahoru, dolů a podivných). V souladu s novým schématem je každý baryon tvořen třemi kvarky najednou. Mesons jsou mnohem jednodušší. Patří sem jeden kvark (toto pravidlo je neotřesitelné) a antikvark. Teprve pak vědecká komunita uvědomila existenci těchto částic, ke kterým je náš článek věnován.

Trochu víc pozadí

Tento článek, který do značné míry předurčil vývoj fyziky v příštích letech, má spíše zvědavý zázemí. Gell-Mann přemýšlel o existenci takových tripletů dlouho před vydáním, ale své předpoklady s nikým nepromluvil. Faktem je, že jeho předpoklady o existenci částeček s částečným nábojem vypadaly jako nesmysl. Nicméně po rozhovoru s vynikajícím teoretickým fyzikem Robertem Serberem se dozvěděl, že jeho kolega provedl přesně tytéž závěry.

Kromě toho vědce učinil jediný správný závěr: existence takových částic je možná pouze tehdy, pokud nejsou volné fermiony, ale jsou součástí hadronů. Koneckonců, v tomto případě jsou jejich poplatky jediným celkem! Nejprve je Gell-Mann nazval koktejly a dokonce je zmínil v MTI, ale reakce studentů a učitelů byla velmi nízká. Takže vědec dlouho se zamyslel nad tím, zda by měl svůj výzkum provést na veřejném dvoře.

Samotné slovo "quark" (tento zvuk připomínající křik kachen) byl převzat z díla Jamese Joyce. Jak se zdá, divný americký vědec poslal svůj článek do prestižního evropského vědeckého časopisu Physics Letters, protože se vážně obával, že redakce americké publikace podobného stupně, Physical Review Letters, ji nepřijme k publikaci. Mimochodem, pokud se chcete podívat na alespoň jednu kopii tohoto článku - máte přímou cestu do stejného berlínského muzea. Kvarky ve své expozici nejsou k dispozici, ale úplná historie jejich objevu (přesněji dokumentární důkaz).

Začátek revoluce kvarků

Z důvodu spravedlnosti stojí za zmínku, že téměř stejnou dobu se podobnou myšlenku dostalo i vědec z CERN George Zweig. Zpočátku byl jeho mentorem samotný Gell-Mann a pak Richard Feynman. Zweig také určil skutečnost existence fermionů, které měly zlomkové poplatky, nazývaly je pouze esy. Navíc talentovaný fyzik také považoval baryony za triplet kvarků a mezony - jako kombinaci kvarku a antikvaru.

Jednoduše řečeno, student zcela zopakoval závěry svého učitele a úplně od něj. Jeho dílo se objevilo ještě pár týdnů před vydáním Manna, ale pouze jako "domácí příprava" ústavu. Byla to však přítomnost dvou nezávislých článků, závěry, na kterých byly téměř totožné, a okamžitě přesvědčili některé vědce o věrnosti navrhované teorie.

Od odmítnutí k důvěře

Ale mnozí badatelé tuto teorii přijali daleko od okamžiku. Ano, novináři a teoretici ji rychle zamilovali za její viditelnost a jednoduchost, ale vážní fyzici to přijali teprve po 12 letech. Neobviňujte je za přílišný konzervatismus. V podstatě je to, že teorie kvarků byla zpočátku v ostrém rozporu s principem Pauli, který jsme se zmínili na samém začátku článku. Pokud předpokládáme, že proton obsahuje pár u-kvarků a jediný d-kvark, pak první musí být striktně ve stejném kvantovém stavu. Podle Pauli to není možné.

Tehdy se objevilo další kvantové číslo vyjádřené ve formě barvy (což jsme také zmínili výše). Kromě toho bylo zcela nepochopitelné, jak obecně interagují částice elementárních kvarků navzájem, proč se jejich volné druhy nenacházejí. Všechna tato tajemství pomohla odhalit Teorii měřicích polí, která byla "přemýšlena" až v polovině sedmdesátých let. Ve stejnou dobu byla kvarkovská teorie hadronů organicky včleněna do toho.

Ale nejvíce silně omezený vývoj teorie je úplná nepřítomnost alespoň některých experimentálních experimentů, které by potvrdily jak samotnou existenci, tak interakci kvarků navzájem as jinými částicemi. A postupně se začaly objevovat teprve od konce 60. let, kdy rychlý vývoj technologie dovolil provést experiment s "prosvetivaniyu" proudy elektronů protonů. Právě tyto experimenty umožnily dokázat, že některé částice, které byly původně nazývány partony, se skutečně "skrývají" uvnitř protonů. Následně jsme však byli přesvědčeni, že to nebylo nic jiného než pravý kvark, ale nestalo se to až do konce roku 1972.

Experimentální potvrzení

Samozřejmě, pokud jde o konečné přesvědčení vědecké komunity trvalo mnohem víc experimentální data. V roce 1964, James Bjorken a Sheldon Glashow (budoucí nositel Nobelovy ceny, mimochodem) navrhli, i když tam může být čtvrtý druh tvaroh, které jsou pojmenované Čarodějky (Charmed).

Právě díky této hypotézy vědci v roce 1970 byli schopni vysvětlit mnoho zvláštností, které byly pozorovány v rozpadu neutrálních kaony nabitých. Po čtyřech letech, jen dvě nezávislá skupina amerických fyziků byli schopni opravit MESON kaz, který obsahoval jen jednu „okouzleni“ kvark a jeho antikvark. Není proto divu, že tato událost kdysi nazval listopadové revoluci. Poprvé teorie kvark byl více či méně „vizuální“ pro potvrzení.

Důležitost otvoru alespoň skutečnost, že projektový manažer, Samuel Ting a Burton Richter, o dva roky později získal Nobelovu cenu: Událost se odráží v mnoha předmětech. S některými z nich najdete v originále, pokud navštívíte New York Museum of Natural History. Kvarky, a jak již bylo řečeno - velmi důležitý objev moderní doby, a proto se pozornost v rámci vědecké obce, které jim vyplácí moc.

ultima ratio

Teprve v roce 1976, výzkumníci našli jednu částici s nenulovou kouzlo, neutrální D-mezon. Jedná se o poměrně složitý kombinace okouzlovala tvarohu a u-antiquark. Zde i notoričtí nepřátelé existence kvarků byli nuceni přiznat pravdu teorie, poprvé popsal před více než dvěma desítkami let. Jeden z nejznámějších teoretických fyziků, Dzhon Ellis, volal kouzlo „páky, který změnil svět.“

Brzy seznam nových objevů přišel a pár velmi masivní kvarků, horní a dolní části, které jsou snadno schopni se týkají přičemž již byly přijaty v době objednání SU (3). V posledních letech vědci říkají, že tam jsou tzv Tetraquarks, že někteří vědci daboval „Hadron molekuly.“

Některé z těchto zjištění a závěrů

Mělo by být zřejmé, že otevírání a vědecké zdůvodnění pro existenci kvarků, ve skutečnosti, můžete bezpečně předpokládat, že vědecké revoluce. To lze považovat za počátek roku 1947 (ve skutečnosti 1943) a její konec připadá na první zjištění „učarovala“ mezony. Ukazuje se, že doba trvání posledního dne otevření takové úrovni, nic více a nic méně, tolik jako 29 roků (nebo dokonce 32 roků)! A celou tu dobu bylo vynaloženo nejen kvůli nálezu kvark! Gluon plazma jako hlavní objekt ve vesmíru brzy přitahovala mnohem větší pozornost vědců.

Nicméně, tím složitější se stává obor, tím déle trvá provádět opravdu důležité objevy. A když hovoříme o částice, význam tohoto objevu nelze podcenit nikoho. Studium struktury kvarků, bude daná osoba moci proniknout hlouběji do tajemství vesmíru. Je možné, že teprve po dokončení studia se můžeme dozvědět, jak velký třesk a vesmír se vyvíjí v souladu s tím, co zákony. V každém případě je možné je otevřít přesvědčit mnoho fyziků, že realita kolem nás je mnohem obtížnější minulosti výkony.

Takže víte, co kvark. Tato částice v té době způsobil rozruch ve vědeckém světě a dnes výzkumníci doufají konečně odhalit všechna jeho tajemství.