Куарк - това ли е частица? Научете от какво се състоят кварките. Коя частица е по-малка от кварка?

Само преди година Питър Хигс и Франсоа Енглер получиха Нобелова награда за работата, посветена на изследването субатомни частици.

През 1964 г. двама талантливи физици също излязоха с пионерската си теория. Отначало не привличаше почти никакво внимание. Това е странно, тъй като описва структурата на хадроните, без която не е възможно едно взаимодействие между тях. Това беше теорията на кварките.

Какво е това?

Между другото, какво е кварк? Това е една от най-важните съставки на хадрона. Важно! Тази частица има "половин" въртене, всъщност е фермион. В зависимост от цвета (за това по-долу), зарядът на кварките може да бъде равен на една трета или две трети от заряда на протона. Що се отнася до цветовете, има шест (поколението на кварките). Те са необходими, за да не бъде нарушен принципът на Паули.

Основна информация

В хадроновия състав тези частици са на разстояние, което не превишава граничната стойност. Това се обяснява просто: те обменят векторите на полето на габарита, т.е. глуони. Защо е важен кваркът? Глюонната плазма (наситена с кварки) е състояние на материя, в която цялата вселена е разположена непосредствено след Големия взрив. Съответно, съществуването на кварки и глуони е пряко потвърждение на факта, че наистина е било.

Те също така имат свой собствен цвят и затова създават виртуални копия по време на движението. Съответно, тъй като разстоянието между кварките се увеличава, силата на взаимодействие между тях се увеличава значително. Както можете да предположите, с минимално разстояние, взаимодействието практически изчезва (асимптотична свобода).

По този начин всяко силно взаимодействие в хадроните се обяснява с прехода на глуони между кварките. Ако говорим за взаимодействията между хадроните, те се обясняват с трансфера на резонанса на пиона. Просто казано, косвено, всичко отново намалява до обмяната на глуони.

Колко кварки са част от нуклеоните?

Всеки неутрон се състои от двойка d-кварки, а също и един u-кварк. Всеки протон, от друга страна, е съставен от единичен d кварк и двойка u-кварки. Между другото, буквите се поставят в зависимост от квантовите числа.

Ще обясним. Например, бета разпадът може да бъде обяснен само чрез трансформирането на един от същите кварки в нуклеона в друг. За да бъдем по-добре разбрани, под формата на формула този процес може да бъде написан така: d = u + w (това е неутронно разпадане). Съответно, протонът е написан с малко по-различна формула: u = d + w.

Между другото, последният процес обяснява постоянния поток от неутрини и позитрони от големите звездни клъстери. Така че мащабите на Вселената по-малко важна частица, която е плазма кварк-глуонен, както вече казахме, потвърждава теорията за Големия взрив, както и изучаването на тези частици се даде възможност на учените да разберат по-добре същността на света, в който живеем.

Какво е по-малко от кварка?

Между другото, от какво се състоят кварките? Тяхната съставка е преон. Тези частици са много малки и слабо разбрани, така че и днес те не са много добре познати. Това е по-малко от кварк.

Откъде идват?

Към днешна дата най-често срещаните са две хипотези за формирането на преон: струнната теория и теорията на Билсън-Томпсън. В първия случай появата на тези частици се обяснява с трептенията на струните. Втората хипотеза предполага, че външният им вид е причинен от вълнувано състояние на пространство и време.

Интересно е, че във втория случай феноменът може да бъде напълно описан, като се използва матрицата на паралелния транспорт по кривите на центрофугата. Свойствата на тази матрица сама по себе си и предопределя тези на преона. Това се състои от кварките.

Обобщавайки някои резултати, можем да кажем, че кварките са особени "кванти" в състава на хадроните. Впечатлен? И сега ще говорим за това как кваркът беше открит изобщо. Това е много очарователна история, която, наред с други неща, разкрива по-пълно някои от описаните по-горе нюанси.

Странни частици

Непосредствено след края на Втората световна война учените започнали активно да изследват света на субатомните частици, които дотогава изглеждаха примитивни до прости (според тези идеи). Протони, неутрони (нуклеони) и електрони образуват атом. През 1947 г. са открити пиони (и предсказвали съществуването им през 1935 г.), които са отговорни за взаимното привличане на нуклеони в ядрото на атомите. Това събитие по това време е посветено на повече от една научна изложба. Кварките все още не бяха отворени, но времето на атаката срещу тяхната "следа" се приближаваше.

Неутрините не бяха открити по това време. Но очевидното им значение за обяснението на бета разпадането на атомите е толкова голямо, че учените нямаха никакви съмнения относно съществуването си. Освен това някои антипартикули вече са били открити или предсказани. Положението остава неясно само с мюони които се образуват по време на разпадането на пиони и след това преминаване към неутрино, електрона или позитрон. Физиците не разбраха защо междинна станция.

Уви, но такъв прост и непретенциозен модел не оцеля в момента, когато бяха открити пиони. През 1947 г. двама английски физика, Джордж Рочестър и Клифърд Бътлър, публикуваха една интересна статия в научното списание Nature. Материалът за нея беше изследването на космическите лъчи чрез облачната камера, по време на което получиха любознателна информация. На една от снимките, направени по време на наблюдението, чифт песни с общо начало бяха ясно видими. Тъй като несъответствието приличаше на латинския V, веднага стана ясно - зарядът на тези частици определено е различен.

Учените незабавно са предположили, че тези следи показват факта на разпадането на някои неизвестни частици, които не оставят зад себе си други следи. Изчисленията показват, че неговата маса е около 500 MeV, което е много по-голяма от тази стойност за електрона. Разбира се, изследователите нарекоха откритието им V-частица. Но все още не беше кварк. Тази частица все още чакаше часът.

Всичко започва

От това откритие всичко започна. През 1949 г., при същите условия, е открита следа от частицата, която поражда три пини наведнъж. Скоро се оказа, че тя, както и V-частицата, са напълно различни представители на семейството, състоящи се от четири частици. Впоследствие те се наричат ​​К-мезони (каони).

Двойката заредени каони има маса от 494 MeV, а в случай на неутрален заряд, 498 MeV. Между другото, през 1947 г., учените са имали късмета да улови само една и съща много редки случай на положителен каон се разпада, но по това време те просто не са били в състояние да тълкуват правилно на снимката. Въпреки това, за да бъде напълно честен, това е всъщност първото наблюдение на каон е направена още през 1943 г., но информация за него почти се губеше на фона на множество следвоенни научни публикации.

Нови странности

И по-нататък учените чакаха повече открития. През 1950 и 1951 г. изследователи от университетите в Манчестър и Мелбърн успяват да намерят частици, които са много по-тежки от протоните и неутроните. Отново нямаше никаква отговорност, но се разпадна на протон и божур. Последното, както може да се разбере, има отрицателна такса. Новата частица е означена с буквата Ламбда- (ламбда).

Колкото повече време изтече, толкова повече въпроси имаха учените. Проблемът е, че нови частици се появяват изключително в силни атомни взаимодействия, бързо разпадащи се в известни протони и неутрони. Освен това, те винаги се появявали по двойки, нямаше нито една проява. Ето защо група физици от САЩ и Япония предложиха използването на нов квантов номер в описанието им - странност. Според тяхната дефиниция странността на всички други известни частици е равна на нула.

Допълнителни изследвания

Пробив в научните изследвания се случи едва след появата на нова систематизация на хадроните. Най-изявената фигура в това е израелският Ювал Нееман, който променя кариерата на изключителен военен човек до еднакво брилянтен път на учен.

Той обърна внимание на факта, че мезоните и барионът, открити по това време, се разпадат, образувайки куп от свързани частици, мултиплети. Членовете на всяка такава асоциация имат точно една и съща странност, но срещу електрическите заряди. Тъй като наистина силните ядрени взаимодействия от електрическите заряди изобщо не зависят, във всичко останало частиците от мултипликатора изглеждат перфектни близнаци.

Учените предполагат, че някаква естествена симетрия е отговорна за появата на такива формации и скоро успяват да я намерят. Оказа се, че това е просто обобщение на спин-групата SU (2), която учените от цял ​​свят описват квантовите числа. Но едва през това време вече бяха познати 23 адона, а гърбовете им бяха равни на 0, frac12- или цялата единица и следователно не е възможно да се използва такава класификация.

В резултат на това трябваше да използваме две квантови числа за класификация, което значително увеличи класификацията. Така се появява групата SU (3), която в началото на века е създадена от френския математик Eli Cartan. За да се определи системното разположение на всяка частица в нея, учените са разработили изследователска програма. Кукрът впоследствие лесно влиза в систематична серия, което потвърждава абсолютната коректност на специалистите.

Нови квантови числа

Така че учените се приближиха към идеята за използване на абстрактни квантови числа, които станаха хиперзаритни и изотопни. Въпреки това, със същия успех е възможно да се вземе странност и електрически заряд. Тази схема е условно наименована Осмият път. Това е аналогия с будизма, където осем нива също са необходими за достигане до нирвана. Все пак това са текстове.

Нейман и неговият колега Гел-Ман публикуват своите произведения през 1961 г., а броят на известните мезони не надвишава седем. Но в творбите си изследователите не се поколебаха да споменат високата вероятност за съществуването на осмия мезон. В същата 1961 г. тяхната теория е брилянтно потвърдена. Намерената частица се нарича това мезон (гръцко писмо eta-).

Други открития и експерименти с блясък потвърдиха абсолютната коректност на класификацията SU (3). Това обстоятелство се превърна в мощен стимул за изследователите, които са открили, че са на прав път. Дори самият Гел-Ман не се съмняваше, че кварките съществуват в природата. Прегледите за неговата теория не бяха много положителни, но ученият беше сигурен в неговата правилност.

Ето кварките!

Скоро е публикувана статия "Схематичен модел на бариони и мезони". В него учените успяха да развият по-нататък идеята за систематизация, която се оказа толкова полезна. Те откриват, че SU (3) е напълно предполага наличието на цели триплети фермиони, електрически заряд, който варира от 2.3-1.3 и 1/3, където в триплет една частица е винаги различен ненулева странност. Вече добре познати на нас, Гел-Ман ги нарича "елементарни частици кварк".

Според обвиненията той ги определя като u, d и s (от английските думи нагоре, надолу и странно). В съответствие с новата схема всеки барион се формира от три кварка наведнъж. Мезоните са много по-прости. Те включват един кварк (това правило е непоклатимо) и антикварк. Едва тогава научната общност осъзнава съществуването на тези частици, на които е посветена нашата статия.

Малко повече фон

Тази статия, която до голяма степен предопределя развитието на физиката през следващите години, има доста любопитен произход. Гел-Ман се замисли за съществуването на такива тризнаци много преди публикуването му, но не обсъждаше своите предположения с никого. Фактът е, че неговите предположения за съществуването на частици, притежаващи частична заряд, изглеждат като глупости. Но след разговор с изключителен теоретичен физик Роберт Сербер, той научи, че неговият колега е направил същите изводи.

Освен това ученият прави единственото правилно заключение: съществуването на такива частици е възможно само ако те не са свободни фермиони, а са част от хадроните. В крайна сметка, в този случай обвиненията им формират едно цяло! Отначало Гел-Ман ги наричаше хищници и дори ги споменава в МТИ, но реакцията на учениците и учителите беше много ниска. Следователно, ученият отдавна се е замислил дали да потърси изследването си пред съда на публиката.

Самата дума "кварк" (този звук, приличащ на вик на патици) е взета от работата на Джеймс Джойс. Странното е, но американският учен изпрати статията си в престижния европейски научно списание Physics Letters, защото сериозно се опасява, че подобна преразглеждане на нивото на американското издание на Physical Review Letters, няма да го приемат за публикуване. Между другото, ако искате да разгледате поне копие от тази статия - имате директен път към същия Берлински музей. Кварките в експозицията не са на разположение, но пълната история на тяхното откритие (по-точно документални доказателства) е.

Началото на революцията на кварките

Заради справедливостта си струва да се отбележи, че почти в същото време подобна мисъл беше постигната от учен от CERN Джордж Звайг. Първоначално неговият наставник беше самият Гел-Ман, а след това Ричард Файнман. Звейг също така определя реалността на съществуването на фермиони, които притежават частични заряди, наричани само аса. Нещо повече, талантлив физик също счита за бариони като триклет кварки, а мезоните - като комбинация от кварк и антикварк.

Просто казано, ученикът напълно повтаря заключенията на своя учител и напълно отделен от него. Работата му се появи дори няколко седмици преди публикуването на "Ман", но само като "домашна подготовка" на института. Въпреки това, присъствието на два независими статии, чиито заключения бяха почти идентични, веднага убеди някои учени за верността на предложената теория.

От отхвърляне до доверие

Но много изследователи са приели тази теория далеч от момента. Да, журналисти и теоретици бързо се влюбиха в нея за нейната яснота и простота, но сериозни физици го приеха едва след 12 години. Не ги обвинявайте за прекаления консерватизъм. Факт е, че първоначално теорията на кварките рязко противоречи на принципа на Паули, който споменахме в самото начало на статията. Ако приемем, че протона съдържа двойка u-кварки и единичен кварк, тогава първият трябва да бъде строго в същото квантово състояние. Според Паули това е невъзможно.

Тогава се появи допълнително квантово число, изразено под формата на цвят (което също споменахме по-горе). Освен това е напълно неразбираемо как по принцип елементарните кварк частици взаимодействат един с друг, защо техните свободни видове не се срещат. Всички тези тайни помогнаха да се разкрие теорията на габаритните полета, която "беше дошла на ум" едва в средата на 70-те години. Почти по същото време, теорията за кварките на хадроните е била органично включена в нея.

Но най-силно ограничава развитието на теорията е пълното отсъствие на поне някои експериментални експерименти, които биха потвърдили едновременно съществуването и взаимодействието на кварките помежду си и с други частици. И те постепенно започнаха да се появяват едва от края на 60-те години, когато бързото развитие на технологиите позволи да се извърши експеримент с потоци от електронни потоци "prosvetivaniyu". Тези експерименти позволиха да се докаже, че някои частици, първоначално наричани "части", наистина се "скриват" вътре в протоните. Впоследствие обаче бяхме убедени, че това не е нищо друго освен истински кварк, но това не се случи до края на 1972 година.

Експериментално потвърждение

Разбира се, за окончателното осъждане на научната общност бяха необходими много по-експериментални данни. През 1964 г. Джеймс Bjorken и Шелдън Glashow (бъдещия носител на Нобелова награда, между другото) предполагат, че може да има четвърти видове извара, които те наричат ​​приказен (омагьосан).

Благодарение на тази хипотеза, учените през 1970 г. са могли да обяснят многото странности, които се наблюдават при разпадането на неутрално заредените каони. Четири години по-късно две независими групи от американски физици успяха да установят разпада на мезона, който включваше само един "очарован" кварк, както и неговия антикварк. Не е изненадващо, че това събитие веднага бе наречено ноемвриската революция. За първи път теорията на кварките е получила повече или по-малко "ясно" потвърждение.

Значението на откриването на поне факта, че ръководителят на проекта, Самюел Тинг и Бъртън Рихтер, две години по-късно получил Нобелова награда: Едно събитие е отразено в много статии. Някои от тях можете да видите в оригинала, ако посетите Нюйоркския научен музей. Кварките и както вече казахме - много важно откритие на модерните времена и затова вниманието на научната общност, които получават много.

Последният аргумент

Едва през 1976 г. изследователите все още откриват една частица с незерово очарование, неутрален D-мезон. Това е сравнително сложна комбинация от един очарован кварк и u-антикварк. Тук дори втвърдените противници на съществуването на кварките бяха принудени да признаят точността на теорията, описана за първи път преди повече от две десетилетия. Един от най-известните теоретични физици, Джон Елис, нарече чар "лост, който обърна света".

Скоро двама особено масивни кварки, отгоре и отдолу, влязоха в списъка на нови открития, които лесно можеха да се съпоставят със систематизацията SU (3), която вече беше приета по това време. През последните години учените казват, че има така наречените тетракварки, които някои учени вече наричат ​​"хадронни молекули".

Някои заключения и заключения

Трябва да разберем, че откритието и научната обосновка за съществуването на кварките наистина могат да се считат за научна революция. Началото може да се счита за 1947 г. (по принцип, 1943 г.), а краят му е откриването на първия "очарован" мезон. Оказва се, че продължителността на последното откритие до момента за такова ниво е до 29 години (или дори 32 години)! И цялото това време беше изразходван не само заради намирането на кварк! Глюновата плазма като основен обект във вселената скоро привлича много повече внимание от страна на учените.

Въпреки това, колкото по-трудно е областта на обучение, толкова повече време е необходимо, за да се направят наистина важни открития. Що се отнася до частиците, които обсъждаме, важността на такова изобретение не може да бъде подценявано от никого. Изучавайки структурата на кварките, човек може да проникне по-дълбоко в тайните на Вселената. Възможно е само след пълно проучване на тях да можем да разберем как възниква голяма експлозия и какви закони развива нашата Вселена. Във всеки случай това беше тяхното откритие, което даде възможност да се убедят много физици, че реалността около нас е много по-сложна от старите идеи.

Така че разбрахте какво е кварк. Тази частица в нейното време е направила много шум в научния свят и дори днес изследователите са пълни с надежди, че най-накрая ще разкрият всичките си тайни.