Само преди година Питър Хигс и Франсоа Енглер получиха Нобелова награда за работата си върху субатомни частици. Може да изглежда смешно, но учените са направили своите открития преди половин век, но досега не им е придавано голямо значение.
През 1964 г. още двама талантливи физици също излязоха със своята новаторска теория. В началото тя също не привличаше почти никакво внимание. Това е странно, тъй като тя описва структурата на адроните, без които не е възможно силно междуатомно взаимодействие. Това беше теорията на кварките.
Какво е това?
Между другото, какво е кварк? Това е един от най-важните компоненти на адрона. Важно! Тази частица има "половин" спин, всъщност е фермион. В зависимост от цвета (повече за това по-долу), зарядът на кварка може да бъде равен на една трета или две трети от този на протона. Що се отнася до цветовете, те са шест (поколения кварки). Те са необходими, за да не се нарушава принципът на Паули.
Основнаподробности
В състава на адроните тези частици са разположени на разстояние, което не надвишава стойността на ограничаване. Това се обяснява просто: те обменят вектори на калибровното поле, тоест глуони. Защо кваркът е толкова важен? Глуонната плазма (наситена с кварки) е състоянието на материята, в което се намира цялата Вселена непосредствено след Големия взрив. Съответно, съществуването на кварки и глуони е пряко потвърждение, че той наистина е бил.
Те също имат свой собствен цвят и затова по време на движението създават свои виртуални копия. Съответно, с увеличаване на разстоянието между кварките, силата на взаимодействие между тях се увеличава значително. Както може да се досетите, при минимално разстояние взаимодействието практически изчезва (асимптотична свобода).
По този начин всяко силно взаимодействие в адроните се обяснява с прехода на глуони между кварките. Ако говорим за взаимодействия между адрони, тогава те се обясняват с прехвърлянето на пи-мезонен резонанс. Просто казано, косвено, всичко отново се свежда до обмена на глуони.
Колко кварка има в нуклони?
Всеки неутрон се състои от двойка d-кварки и дори един u-кварк. Всеки протон, напротив, се състои от един d-кварк и двойка u-кварки. Между другото, буквите се задават в зависимост от квантовите числа.
Нека обясним. Например, бета-разпадът се обяснява именно с трансформацията на един от същия тип кварки в състава на нуклона в друг. За да стане по-ясно, този процес може да се запише като формула по следния начин: d=u + w (това е разпад на неутрони). респективнопротонът се записва с малко по-различна формула: u=d + w.
Между другото, именно последният процес обяснява постоянния поток от неутрино и позитрони от големи звездни купове. И така, в мащаба на Вселената има малко частици, толкова важни като кварка: глюонната плазма, както вече казахме, потвърждава факта на Големия взрив и изследванията на тези частици позволяват на учените да разберат по-добре самата същност на светът, в който живеем.
Какво е по-малко от кварк?
Между другото, от какво се състоят кварките? Съставните им частици са преони. Тези частици са много малки и слабо разбрани, така че дори днес не се знае много за тях. Това е по-малкото от кварк.
Откъде са дошли?
Към днешна дата най-често срещаните две хипотези за образуването на преони: теория на струните и теория на Билсън-Томпсън. В първия случай появата на тези частици се обяснява с трептения на струните. Втората хипотеза предполага, че появата им е причинена от възбудено състояние на пространството и времето.
Интересно е, че във втория случай явлението може да се опише напълно с помощта на матрицата на паралелния трансфер по кривите на спиновата мрежа. Свойствата на самата тази матрица предопределят тези за преона. Това е, от което са направени кварките.
Обобщавайки някои резултати, можем да кажем, че кварките са вид "кванти" в състава на адроните. Впечатлен? И сега ще говорим за това как е бил открит кваркът като цяло. Това е много интересна история, която освен това напълно разкрива някои от нюансите, описани по-горе.
Странни частици
Непосредствено след края на Втората световна война учените започнаха активно да изследват света на субатомните частици, който дотогава изглеждаше примитивно прост (според тези идеи). Протони, неутрони (нуклони) и електрони образуват атом. През 1947 г. са открити пиони (и тяхното съществуване е предсказано още през 1935 г.), които са отговорни за взаимното привличане на нуклони в ядрото на атомите. Повече от една научна изложба беше посветена на това събитие едновременно. Кварките все още не бяха открити, но моментът на атака срещу тяхната „следа“наближаваше.
Неутрино все още не са били открити по това време. Но очевидното им значение за обяснението на бета-разпада на атомите беше толкова голямо, че учените не се съмняваха в съществуването им. Освен това някои античастици вече са открити или предсказани. Единственото, което остана неясно, беше ситуацията с мюоните, които се образуваха при разпадането на пионите и впоследствие преминаха в състояние на неутрино, електрон или позитрон. Физиците изобщо не разбраха за какво е тази междинна станция.
Уви, такъв прост и непретенциозен модел не оцеля дълго в момента на откриването на божури. През 1947 г. двама английски физици Джордж Рочестър и Клифърд Бътлър публикуват интересна статия в научното списание Nature. Материалът за него е тяхното изследване на космическите лъчи с помощта на облачна камера, по време на което получават любопитна информация. На една от снимките, направени по време на наблюдението, ясно се виждаше двойка следи с общо начало. Тъй като несъответствието приличаше на латинското V, веднага стана ясно– зарядът на тези частици определено е различен.
Учените веднага предположиха, че тези следи показват факта на разпадането на някаква неизвестна частица, която не е оставила други следи. Изчисленията показват, че масата му е около 500 MeV, което е много по-голямо от тази стойност за един електрон. Разбира се, изследователите нарекоха откритието си V-частица. Все още обаче не беше кварк. Тази частица все още чакаше в крилете си.
Тъкмо започва
Всичко започна с това откритие. През 1949 г. при същите условия е открита следа от частица, която дава началото на три пиона наведнъж. Скоро стана ясно, че тя, както и V-частицата, са напълно различни представители на семейство, състоящо се от четири частици. Впоследствие те бяха наречени К-мезони (каони).
Двойка заредени каони имат маса 494 MeV, а в случай на неутрален заряд - 498 MeV. Между другото, през 1947 г. учените имаха късмета да заснемат същия много рядък случай на разпад на положителен каон, но по това време те просто не можеха да интерпретират правилно изображението. Въпреки това, за да бъдем напълно справедливи, всъщност първото наблюдение на каона е направено през 1943 г., но информацията за това е почти загубена на фона на множество следвоенни научни публикации.
Нова странност
И тогава учените очакваха още открития. През 1950 и 1951 г. изследователи от университета в Манчестър и Мелнбург успяват да открият частици, много по-тежки от протоните и неутроните. То отново нямаше заряд, но се разпадна на протон и пион. Последното, както може да се разбере,отрицателен заряд. Новата частица беше наречена Λ (ламбда).
Колкото повече време минаваше, толкова повече въпроси имаха учените. Проблемът беше, че новите частици възникват изключително от силни атомни взаимодействия, бързо разпадайки се до известните протони и неутрони. Освен това те винаги се появяваха по двойки, никога не е имало единични прояви. Ето защо група физици от САЩ и Япония предложиха да се използва ново квантово число - странност - в описанието им. Според тяхната дефиниция, странността на всички други известни частици е нула.
Допълнително проучване
Пробивът в изследванията се случи едва след появата на нова систематизация на адроните. Най-известната фигура в това беше израелецът Ювал Неаман, който промени кариерата на изключителен военен със също толкова брилянтен път на учен.
Той забеляза, че откритите по това време мезони и бариони се разпадат, образувайки клъстер от свързани частици, мултиплети. Членовете на всяка такава асоциация имат абсолютно еднакви странности, но противоположни електрически заряди. Тъй като наистина силните ядрени взаимодействия изобщо не зависят от електрически заряди, във всички останали отношения частиците от мултиплета изглеждат като идеални близнаци.
Учените предположиха, че някаква естествена симетрия е отговорна за появата на подобни образувания и скоро успяха да я открият. Оказа се просто обобщение на спиновата група SU(2), която учени от цял свят използват, за да опишат квантовите числа. Туксамо по това време вече бяха известни 23 адрона и техните завъртания бяха равни на 0, ½ или цяла единица и следователно не беше възможно да се използва такава класификация.
В резултат на това трябваше да се използват две квантови числа за класификация наведнъж, поради което класификацията беше значително разширена. Така се появява групата SU(3), която е създадена в началото на века от френския математик Ели Картан. За да определят системното положение на всяка частица в него, учените са разработили изследователска програма. Впоследствие кваркът лесно влезе в систематичния ред, което потвърди абсолютната коректност на експертите.
Нови квантови числа
Така че учените стигнаха до идеята да използват абстрактни квантови числа, които се превърнаха в хиперзаряд и изотопен спин. Странността и електрическият заряд обаче могат да бъдат взети със същия успех. Тази схема беше условно наречена Осемкратен път. Това улавя аналогията с будизма, където преди да достигнете до нирвана, също трябва да преминете през осем нива. Всичко това обаче е текст.
Нийман и неговият колега Гел-Ман публикуваха работата си през 1961 г. и броят на известните тогава мезони не надвишава седем. Но в работата си изследователите не се страхуваха да споменат високата вероятност за съществуването на осмия мезон. През същата 1961 г. тяхната теория е блестящо потвърдена. Намерената частица е наречена eta meson (гръцка буква η).
По-нататъшни открития и експерименти с яркостта потвърдиха абсолютната коректност на класификацията SU(3). Това обстоятелство стана силностимул за изследователи, които са установили, че са на прав път. Дори самият Гел-Ман вече не се съмняваше, че кварките съществуват в природата. Отзивите за неговата теория не бяха твърде положителни, но ученият беше сигурен, че е прав.
Ето кварките
Скоро е публикувана статията "Схематичен модел на бариони и мезони". В него учените успяха да доразвият идеята за систематизация, която се оказа толкова полезна. Те открили, че SU(3) напълно позволява съществуването на цели триплети фермиони, чийто електрически заряд варира от 2/3 до 1/3 и -1/3, а в триплета една частица винаги има ненулева странност. Гел-Ман, вече добре познат за нас, ги нарече „кваркови елементарни частици“.
Според обвиненията той ги обозначи като u, d и s (от английските думи up, down и strange). 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 след това научната общност разбра за съществуването на тези частици, на които е посветена нашата статия.
Малко повече фон
Тази статия, която до голяма степен предопредели развитието на физиката за години напред, има доста любопитна основа. Гел-Ман мислеше за съществуването на този вид тризнаци много преди публикуването му, но не обсъждаше предположенията си с никого. Факт е, че неговите предположения за съществуването на частици с дробен заряд изглеждаха като глупости. Въпреки това, след като разговаря с видния физик-теоретик Робърт Сербер, той научава, че неговият колеганаправи точно същите заключения.
Освен това ученият направи единственото правилно заключение: съществуването на такива частици е възможно само ако те не са свободни фермиони, а са част от адрони. Всъщност в този случай техните заряди образуват едно цяло! Първоначално Гел-Ман ги нарече кварки и дори ги спомена в MTI, но реакцията на ученици и учители беше много сдържана. Ето защо ученият много дълго мисли дали трябва да представи своето изследване на обществеността.
Самата дума "кварк" (звук, напомнящ вика на патиците) е взета от работата на Джеймс Джойс. Колкото и да е странно, американският учен изпрати статията си до престижното европейско научно списание Physics Letters, тъй като сериозно се опасяваше, че редакторите на американското издание на Physical Review Letters, подобно по ниво, няма да я приемат за публикуване. Между другото, ако искате да погледнете поне копие от тази статия, имате директен път до същия Берлински музей. В неговото изложение няма кварки, но има пълна история на тяхното откриване (по-точно документални доказателства).
Началото на кварковата революция
За да бъдем честни, трябва да се отбележи, че почти по същото време учен от ЦЕРН, Джордж Цвайг, стигна до подобна идея. Първо самият Гел-Ман беше негов ментор, а след това Ричард Файнман. Цвайг също определи реалността на съществуването на фермиони, които имат дробни заряди, само ги нарича аса. Освен това талантливият физик също разглежда барионите като трио от кварки, а мезоните – като комбинация от кварки.и антикварк.
Просто казано, ученикът напълно повтори заключенията на своя учител и напълно отделен от него. Неговата работа се появява дори няколко седмици преди публикацията на Ман, но само като „домашна“работа на института. Въпреки това, наличието на две независими произведения, чиито заключения бяха почти идентични, веднага убеди някои учени в правилността на предложената теория.
От отказ до доверие
Но много изследователи приеха тази теория далеч не веднага. Да, журналисти и теоретици бързо се влюбиха в него заради неговата яснота и простота, но сериозните физици го приеха едва след 12 години. Не ги обвинявайте, че са твърде консервативни. Факт е, че първоначално теорията на кварките рязко противоречи на принципа на Паули, който споменахме в самото начало на статията. Ако приемем, че протонът съдържа двойка u-кварки и единичен d-кварк, тогава първият трябва да бъде строго в същото квантово състояние. Според Паули това е невъзможно.
Тогава се появи допълнително квантово число, изразено като цвят (който също споменахме по-горе). Освен това беше напълно неразбираемо как елементарните частици на кварките взаимодействат помежду си като цяло, защо не се появяват техните свободни разновидности. Всички тези тайни бяха изключително подпомогнати за разкриването от Теорията на калибровките, която беше „доведена до ума“едва в средата на 70-те години. Приблизително по същото време кварковата теория на адроните е органично включена в нея.
Но най-вече развитието на теорията беше възпрепятствано от пълното отсъствие на поне някои експериментални експерименти,което би потвърдило както самото съществуване, така и взаимодействието на кварките един с друг и с други частици. И те постепенно започнаха да се появяват едва от края на 60-те години, когато бързото развитие на технологиите направи възможно провеждането на експеримент с "предаване" на протони чрез електронни потоци. Именно тези експерименти позволиха да се докаже, че някои частици наистина са „скрити“вътре в протоните, които първоначално са били наречени партони. Впоследствие обаче те се убедиха, че това не е нищо повече от истински кварк, но това се случи едва в края на 1972 г.
Експериментално потвърждение
Разбира се, бяха необходими много повече експериментални данни, за да се убеди най-накрая научната общност. През 1964 г. Джеймс Бьоркен и Шелдън Глашоу (между другото бъдещият носител на Нобелова награда) предполагат, че може да има и четвърти вид кварк, който те наричат очаровани.
Благодарение на тази хипотеза още през 1970 г. учените успяха да обяснят много от странностите, наблюдавани по време на разпадането на неутрално заредени каони. Четири години по-късно две независими групи американски физици наведнъж успяха да фиксират разпада на мезона, който включваше само един „очарован“кварк, както и неговия антикварк. Не е изненадващо, че това събитие веднага беше наречено Ноемврийската революция. За първи път теорията на кварките получи повече или по-малко „визуално“потвърждение.
Важността на откритието се доказва от факта, че ръководителите на проекта, Самюел Тинг и Бартън Рихтер, вече са завършилиприеха Нобеловата си награда за две години: това събитие е отразено в много статии. Можете да видите някои от тях в оригинал, ако посетите Нюйоркския музей на естествените науки. Кварките, както вече казахме, са изключително важно откритие на нашето време и затова им се обръща много внимание в научната общност.
Последен аргумент
Едва през 1976 г. изследователите откриват една частица с ненулев чар, неутралния D-мезон. Това е доста сложна комбинация от един очарован кварк и u-антикварк. Тук дори закоравелите противници на съществуването на кварки бяха принудени да признаят правилността на теорията, заявена за първи път преди повече от две десетилетия. Един от най-известните физици-теоретици, Джон Елис, нарече чара „лостът, който преобръща света“.
Скоро списъкът с нови открития включва двойка особено масивни кварки, отгоре и отдолу, които лесно биха могли да се съпоставят със систематизацията SU(3), която вече беше приета по това време. През последните години учените говорят за съществуването на така наречените тетракварки, които някои учени вече нарекоха „адронни молекули“.
Някои заключения и заключения
Трябва да разберете, че откриването и научното обосноваване на съществуването на кварки наистина може безопасно да се счита за научна революция. За негово начало може да се счита 1947 г. (по принцип 1943 г.), а краят му пада върху откриването на първия „омагьосан“мезон. Оказва се, че продължителността на последното до момента откритие на това ниво е, не по-малко, цели 29 години (или дори 32 години)! И всичко товавреме беше изразходвано не само за намиране на кварка! Като първичен обект във Вселената, глюонната плазма скоро привлече много повече внимание от учените.
Въпреки това, колкото по-сложна става изучаваната област, толкова повече време отнема да се направят наистина важни открития. Що се отнася до частиците, които обсъждаме, никой не може да подцени важността на подобно откритие. Изучавайки структурата на кварките, човек ще може да проникне по-дълбоко в тайните на Вселената. Възможно е само след пълното им изследване да можем да разберем как се е случил Големият взрив и по какви закони се развива нашата Вселена. Във всеки случай, именно тяхното откритие направи възможно да убедят много физици, че реалността около нас е много по-сложна от предишните идеи.
Значи научихте какво е кварк. Тази частица навремето вдигна много шум в научния свят, а днес изследователите са пълни с надежди най-накрая да разкрият всичките й тайни.
