Tikai pirms gada Pīters Higss un Fransuā Englers saņēma Nobela prēmiju par darbu pie subatomiskām daļiņām. Tas var šķist smieklīgi, taču zinātnieki savus atklājumus veica pirms pusgadsimta, taču līdz šim tiem nav piešķirta nekāda liela nozīme.
1964. gadā vēl divi talantīgi fiziķi nāca klajā ar savu novatorisko teoriju. Sākumā viņa arī gandrīz nepiesaistīja uzmanību. Tas ir dīvaini, jo viņa aprakstīja hadronu struktūru, bez kuras nav iespējama spēcīga starpatomiskā mijiedarbība. Tā bija kvarku teorija.
Kas tas ir?
Starp citu, kas ir kvarks? Šī ir viena no svarīgākajām hadrona sastāvdaļām. Svarīgs! Šai daļiņai ir "puse" spin, patiesībā tā ir fermions. Atkarībā no krāsas (vairāk par to tālāk) kvarka lādiņš var būt vienāds ar vienu trešdaļu vai divām trešdaļām no protona lādiņa. Kas attiecas uz krāsām, tad tās ir sešas (kvarku paaudzes). Tie ir vajadzīgi, lai netiktu pārkāpts Pauli princips.
Pamatainformācija
Hadronu sastāvā šīs daļiņas atrodas tādā attālumā, kas nepārsniedz norobežojuma vērtību. Tas tiek izskaidrots vienkārši: tie apmainās ar gabarīta lauka vektoriem, tas ir, gluoniem. Kāpēc kvarks ir tik svarīgs? Gluona plazma (piesātināta ar kvarkiem) ir vielas stāvoklis, kurā viss Visums atradās tūlīt pēc lielā sprādziena. Attiecīgi kvarku un gluonu esamība ir tiešs apstiprinājums tam, ka viņš patiešām bija.
Tām ir arī sava krāsa, un tāpēc kustības laikā viņi veido savas virtuālās kopijas. Attiecīgi, palielinoties attālumam starp kvarkiem, mijiedarbības spēks starp tiem ievērojami palielinās. Kā jūs varētu nojaust, minimālā attālumā mijiedarbība praktiski pazūd (asimptotiskā brīvība).
Tādējādi jebkura spēcīga mijiedarbība hadronos ir izskaidrojama ar gluonu pāreju starp kvarkiem. Ja mēs runājam par mijiedarbību starp hadroniem, tad tos izskaidro pi-mezona rezonanses pārnešana. Vienkārši sakot, netieši viss atkal nonāk gluonu apmaiņā.
Cik kvarku ir nukleonos?
Katrs neitrons sastāv no d-kvarku pāra un pat viena U-kvarka. Katrs protons, gluži pretēji, sastāv no viena d-kvarka un u-kvarku pāra. Starp citu, burti tiek piešķirti atkarībā no kvantu cipariem.
Paskaidrosim. Piemēram, beta sabrukšana ir izskaidrojama tieši ar viena tāda paša veida kvarku pārvēršanos nukleona sastāvā citā. Lai padarītu to skaidrāku, šo procesu var uzrakstīt kā formulu šādi: d=u + w (tas ir neitronu sabrukšana). Respektīvi,protonu raksta pēc nedaudz atšķirīgas formulas: u=d + w.
Starp citu, tieši pēdējais process izskaidro pastāvīgo neitrīno un pozitronu plūsmu no lielām zvaigžņu kopām. Tātad Visuma mērogā ir maz tik svarīgu daļiņu kā kvarks: gluona plazma, kā jau teicām, apstiprina Lielā sprādziena faktu, un šo daļiņu pētījumi ļauj zinātniekiem labāk izprast kvarka būtību. pasaule, kurā mēs dzīvojam.
Kas ir mazāks par kvarku?
Starp citu, no kā sastāv kvarki? To sastāvā esošās daļiņas ir preoni. Šīs daļiņas ir ļoti mazas un slikti saprotamas, tāpēc pat šodien par tām nav daudz zināms. Tas ir mazāks par kvarku.
No kurienes tie radās?
Līdz šim visizplatītākās divas hipotēzes par preonu veidošanos: stīgu teorija un Bilsona-Tompsona teorija. Pirmajā gadījumā šo daļiņu izskats ir izskaidrojams ar stīgu svārstībām. Otrā hipotēze liecina, ka to izskatu izraisa satraukts telpas un laika stāvoklis.
Interesanti, ka otrajā gadījumā parādību var pilnībā aprakstīt, izmantojot paralēlās pārneses matricu pa spin tīkla līknēm. Šīs matricas īpašības nosaka preona īpašības. No šī ir izgatavoti kvarki.
Apkopojot dažus rezultātus, varam teikt, ka kvarki ir sava veida "kvanti" hadronu sastāvā. Pārsteidza? Un tagad mēs runāsim par to, kā kvarks tika atklāts kopumā. Šis ir ļoti interesants stāsts, kas turklāt pilnībā atklāj dažas no iepriekš aprakstītajām niansēm.
Dīvainas daļiņas
Tūlīt pēc Otrā pasaules kara beigām zinātnieki sāka aktīvi pētīt subatomisko daļiņu pasauli, kas līdz tam izskatījās primitīvi vienkārša (pēc šīm idejām). Protoni, neitroni (nukleoni) un elektroni veido atomu. 1947. gadā tika atklāti pioni (un to eksistence tika prognozēta tālajā 1935. gadā), kas bija atbildīgi par savstarpēju nukleonu piesaisti atomu kodolā. Šim notikumam vienlaikus bija veltīta ne viena vien zinātniska izstāde. Kvarki vēl nebija atklāti, taču uzbrukuma brīdis to "izsekojamībai" tuvojās.
Tajā laikā neitrīni vēl nebija atklāti. Taču to šķietamā nozīme, izskaidrojot atomu beta sabrukšanu, bija tik liela, ka zinātniekiem nebija šaubu par to esamību. Turklāt dažas antidaļiņas jau ir atklātas vai prognozētas. Vienīgais, kas palika neskaidrs, bija situācija ar mioniem, kas veidojās pionu sabrukšanas laikā un pēc tam pārgāja neitrīno, elektrona vai pozitrona stāvoklī. Fiziķi nesaprata, kam šī starpstacija vispār domāta.
Ak, tik vienkāršs un nepretenciozs modelis peoniju atklāšanas brīdi neizturēja ilgi. 1947. gadā divi angļu fiziķi Džordžs Ročesters un Klifords Batlers publicēja interesantu rakstu zinātniskajā žurnālā Nature. Materiāls tam bija viņu kosmisko staru izpēte ar mākoņu kameras palīdzību, kuras laikā viņi ieguva ziņkārīgu informāciju. Vienā no novērojuma laikā uzņemtajām fotogrāfijām bija skaidri redzams pēdu pāris ar kopīgu sākumu. Tā kā neatbilstība atgādināja latīņu V, tas uzreiz kļuva skaidrs– šo daļiņu lādiņš noteikti ir atšķirīgs.
Zinātnieki uzreiz pieņēma, ka šīs pēdas liecina par kādas nezināmas daļiņas sabrukšanas faktu, kas neatstāja nekādas citas pēdas. Aprēķini liecina, ka tā masa ir aptuveni 500 MeV, kas ir daudz lielāka nekā šī elektrona vērtība. Protams, pētnieki savu atklājumu sauca par V-daļiņu. Tomēr tas vēl nebija kvarks. Šī daļiņa joprojām gaidīja spārnos.
Tas tikai sākas
Viss sākās ar šo atklājumu. 1949. gadā tādos pašos apstākļos tika atklāta daļiņas pēda, kas radīja trīs pionus uzreiz. Drīz vien kļuva skaidrs, ka viņa, tāpat kā V-daļiņa, ir pavisam citi pārstāvji ģimenei, kas sastāv no četrām daļiņām. Pēc tam tos sauca par K-mezoniem (kaoniem).
Uzlādētu kaonu pāra masa ir 494 MeV, bet neitrāla lādiņa gadījumā - 498 MeV. Starp citu, 1947. gadā zinātniekiem paveicās fiksēt tieši to pašu ļoti reto pozitīvā kaona sabrukšanas gadījumu, taču toreiz viņi vienkārši nespēja pareizi interpretēt attēlu. Tomēr, lai būtu pilnīgi godīgi, patiesībā pirmais kaona novērojums tika veikts 1943. gadā, taču informācija par to gandrīz tika zaudēta uz daudzu pēckara zinātnisku publikāciju fona.
Jaunas dīvainības
Un tad zinātniekus gaidīja vēl citi atklājumi. 1950. un 1951. gadā Mančestras un Melnburgas universitātes pētniekiem izdevās atrast daļiņas, kas ir daudz smagākas par protoniem un neitroniem. Tam atkal nebija lādiņa, bet tas sadalījās protonā un pionā. Pēdējais, kā var saprast,negatīvs lādiņš. Jaunā daļiņa tika nosaukta par Λ (lambda).
Jo vairāk laika pagāja, jo vairāk jautājumu radās zinātniekiem. Problēma bija tā, ka jaunas daļiņas radās tikai spēcīgas atomu mijiedarbības rezultātā, ātri sadaloties zināmajos protonos un neitronos. Turklāt viņi vienmēr parādījās pa pāriem, nekad nebija atsevišķu izpausmju. Tāpēc grupa fiziķu no ASV un Japānas ieteica savā aprakstā izmantot jaunu kvantu skaitli - dīvainību. Saskaņā ar to definīciju visu pārējo zināmo daļiņu dīvainība bija nulle.
Turpmāka izpēte
Izrāviens pētniecībā notika tikai pēc jaunas hadronu sistematizācijas parādīšanās. Visizcilākā persona šajā ziņā bija izraēlietis Juvals Neamans, kurš izcilā militārpersona karjeru mainīja pret tikpat spožu zinātnieka ceļu.
Viņš pamanīja, ka tajā laikā atklātie mezoni un barioni sadalās, veidojot saistītu daļiņu kopu, multipletus. Katras šādas apvienības dalībniekiem ir tieši tādas pašas dīvainības, bet pretēji elektriskie lādiņi. Tā kā patiešām spēcīga kodolu mijiedarbība nemaz nav atkarīga no elektriskajiem lādiņiem, visos citos aspektos multipleta daļiņas izskatās kā perfekti dvīņi.
Zinātnieki ierosināja, ka šādu veidojumu parādīšanos izraisa kāda dabiska simetrija, un drīz vien viņiem izdevās to atrast. Izrādījās, ka tas ir vienkāršs SU(2) spin grupas vispārinājums, ko zinātnieki visā pasaulē izmantoja kvantu skaitļu aprakstīšanai. Šeittikai līdz tam laikam jau bija zināmi 23 hadroni, kuru spini bija vienādi ar 0, ½ vai vesela skaitļa vienību, un tāpēc nebija iespējams izmantot šādu klasifikāciju.
Tā rezultātā klasifikācijai bija jāizmanto uzreiz divi kvantu skaitļi, kā dēļ klasifikācija tika ievērojami paplašināta. Tā radās grupa SU(3), kuru gadsimta sākumā radīja franču matemātiķis Elijs Kārtāns. Lai noteiktu katras daļiņas sistemātisko stāvokli tajā, zinātnieki ir izstrādājuši pētījumu programmu. Pēc tam kvarks viegli iekļuva sistemātiskajā sērijā, kas apstiprināja ekspertu absolūto pareizību.
Jauni kvantu skaitļi
Tāpēc zinātnieki nāca klajā ar ideju izmantot abstraktus kvantu skaitļus, kas kļuva par hiperlādiņu un izotopu griešanos. Tomēr dīvainības un elektrisko lādiņu var uztvert ar tādu pašu panākumu. Šo shēmu parasti sauca par astoņkārtīgu ceļu. Tas atspoguļo analoģiju ar budismu, kur pirms nirvānas sasniegšanas ir jāiziet arī astoņi līmeņi. Tomēr tas viss ir dziesmu teksti.
Neeman un viņa kolēģis Gell-Mann publicēja savu darbu 1961. gadā, un toreiz zināmais mezonu skaits nepārsniedza septiņus. Bet savā darbā pētnieki nebaidījās pieminēt lielo astotā mezona pastāvēšanas iespējamību. Tajā pašā 1961. gadā viņu teorija tika izcili apstiprināta. Atrastā daļiņa tika nosaukta par eta mezonu (grieķu burts η).
Turpmākie atklājumi un eksperimenti ar spilgtumu apstiprināja SU(3) klasifikācijas absolūto pareizību. Šis apstāklis ir kļuvis spēcīgsstimuls pētniekiem, kuri ir atklājuši, ka ir uz pareizā ceļa. Pat pats Gell-Mann vairs nešaubījās, ka dabā pastāv kvarki. Atsauksmes par viņa teoriju nebija pārāk pozitīvas, taču zinātnieks bija pārliecināts, ka viņam bija taisnība.
Šeit ir kvarki
Drīzumā tika publicēts raksts "Barionu un mezonu shematiskais modelis". Tajā zinātnieki varēja turpināt attīstīt sistematizācijas ideju, kas izrādījās tik noderīga. Viņi atklāja, ka SU(3) diezgan pieļauj veselu fermionu tripletu eksistenci, kuru elektriskais lādiņš svārstās no 2/3 līdz 1/3 un -1/3, un tripletā vienai daļiņai vienmēr ir nulles dīvainība. Mums jau labi zināmais Gell-Mann nosauca tās par “kvarka elementārdaļiņām”.
Saskaņā ar apsūdzībām viņš tos apzīmēja kā u, d un s (no angļu vārdiem up, down un dīvains). Saskaņā ar jauno shēmu katru barionu vienlaikus veido trīs kvarki. Mezoni ir daudz vienkāršāki. Tajos ietilpst viens kvarks (šis noteikums ir nesatricināms) un antikvarks. Tikai pēc tam zinātnieku sabiedrība uzzināja par šo daļiņu esamību, kam ir veltīts mūsu raksts.
Nedaudz vairāk fona
Šim rakstam, kas lielā mērā noteica fizikas attīstību turpmākajiem gadiem, ir diezgan kuriozs fons. Gell-Mann domāja par šāda veida trīnīšu esamību ilgi pirms to publicēšanas, taču savus pieņēmumus ne ar vienu neapsprieda. Fakts ir tāds, ka viņa pieņēmumi par daļiņu esamību ar daļēju lādiņu izskatījās kā muļķības. Tomēr pēc sarunas ar izcilo teorētisko fiziķi Robertu Serberu viņš uzzināja, ka viņa kolēģisizdarīja tieši tādus pašus secinājumus.
Turklāt zinātnieks izdarīja vienīgo pareizo secinājumu: šādu daļiņu eksistence ir iespējama tikai tad, ja tās nav brīvie fermioni, bet ir daļa no hadroniem. Patiešām, šajā gadījumā viņu lādiņi veido vienotu veselumu! Sākumā Gell-Mann tos sauca par kvarkiem un pat pieminēja tos MTI, taču skolēnu un skolotāju reakcija bija ļoti atturīga. Tāpēc zinātnieks ļoti ilgi domāja, vai viņam vajadzētu savu pētījumu nodot sabiedrībai.
Pats vārds "kvarks" (skaņa, kas atgādina pīļu saucienu) tika ņemts no Džeimsa Džoisa darba. Savādi, bet amerikāņu zinātnieks nosūtīja savu rakstu prestižajam Eiropas zinātniskajam žurnālam Physics Letters, jo nopietni baidījās, ka līmeņa ziņā līdzīgā amerikāņu izdevuma Physical Review Letters redaktori to nepieņems publicēšanai. Starp citu, ja vēlaties apskatīt vismaz šī raksta kopiju, jums ir tiešs ceļš uz to pašu Berlīnes muzeju. Viņa ekspozīcijā nav kvarku, taču ir pilnīga to atklāšanas vēsture (precīzāk, dokumentāri pierādījumi).
Kvarku revolūcijas sākums
Lai būtu godīgi, jāatzīmē, ka gandrīz tajā pašā laikā pie līdzīgas idejas nonāca arī zinātnieks no CERN Džordžs Cveigs. Pirmkārt, pats Gell-Mann bija viņa mentors, bet pēc tam Ričards Feinmens. Cveigs arī noteica to fermionu pastāvēšanas realitāti, kuriem bija frakcionēti lādiņi, tikai tos sauca par dūžiem. Turklāt talantīgais fiziķis uzskatīja arī barionus par kvarku trio, bet mezonus par kvarku kombināciju.un antikvarks.
Vienkārši sakot, skolēns pilnībā atkārtoja sava skolotāja secinājumus un pilnīgi atdalījās no viņa. Viņa darbs parādījās pat pāris nedēļas pirms Manna publikācijas, taču tikai kā institūta "mājas darbs". Taču tieši divu neatkarīgu darbu klātbūtne, kuru secinājumi bija gandrīz identiski, dažus zinātniekus uzreiz pārliecināja par piedāvātās teorijas pareizību.
No noraidījuma līdz uzticībai
Bet daudzi pētnieki pieņēma šo teoriju nebūt ne uzreiz. Jā, žurnālisti un teorētiķi to ātri vien iemīlēja skaidrības un vienkāršības dēļ, taču nopietni fiziķi to pieņēma tikai pēc 12 gadiem. Nepārmetiet viņiem pārāk konservatīvu attieksmi. Fakts ir tāds, ka sākotnēji kvarku teorija bija krasi pretrunā Pauli principam, kuru mēs minējām pašā raksta sākumā. Ja pieņemam, ka protons satur u-kvarku pāri un vienu d-kvarku, tad pirmajam ir jābūt stingri vienā kvantu stāvoklī. Pēc Pauli domām, tas nav iespējams.
Tieši tad parādījās papildu kvantu skaitlis, kas izteikts kā krāsa (ko arī minējām iepriekš). Turklāt bija pilnīgi nesaprotami, kā kvarku elementārdaļiņas kopumā mijiedarbojas savā starpā, kāpēc nerodas to brīvās šķirnes. Visus šos noslēpumus lielā mērā palīdzēja atšķetināt gabarīta lauku teorija, kas tika “nākta prātā” tikai 70. gadu vidū. Aptuveni tajā pašā laikā tajā organiski tika iekļauta hadronu kvarku teorija.
Bet visvairāk teorijas attīstību aizkavēja vismaz dažu eksperimentālu eksperimentu pilnīga neesamība,kas apliecinātu gan pašu kvarku esamību, gan mijiedarbību savā starpā un ar citām daļiņām. Un tie pamazām sāka parādīties tikai no 60. gadu beigām, kad straujā tehnoloģiju attīstība ļāva veikt eksperimentu ar protonu "pārraidi" ar elektronu plūsmām. Tieši šie eksperimenti ļāva pierādīt, ka dažas daļiņas patiešām “slēpjas” protonos, kurus sākotnēji sauca par partoniem. Tomēr vēlāk viņi bija pārliecināti, ka tas ir nekas vairāk kā īsts kvarks, taču tas notika tikai 1972. gada beigās.
Eksperimentāls apstiprinājums
Protams, bija nepieciešams daudz vairāk eksperimentālu datu, lai beidzot pārliecinātu zinātnieku kopienu. 1964. gadā Džeimss Bjorkens un Šeldons Glāšovs (starp citu, topošais Nobela prēmijas laureāts) ierosināja, ka varētu būt arī ceturtais kvarku veids, ko viņi sauca par apburošu.
Tieši pateicoties šai hipotēzei, zinātnieki jau 1970. gadā spēja izskaidrot daudzas dīvainības, kas tika novērotas neitrāli lādētu kaonu sabrukšanas laikā. Pēc četriem gadiem divām neatkarīgām amerikāņu fiziķu grupām uzreiz izdevās noteikt mezona sabrukšanu, kurā bija tikai viens "burvīgs" kvarks, kā arī tā antikvarks. Nav pārsteidzoši, ka šo notikumu uzreiz nodēvēja par Novembra revolūciju. Pirmo reizi kvarku teorija saņēma vairāk vai mazāk "vizuālu" apstiprinājumu.
Atklājuma nozīmīgumu apliecina fakts, ka projekta vadītāji Semjuels Tings un Bārtons Rihters jau ir cauri.divus gadus pieņēma Nobela prēmiju: šis notikums ir atspoguļots daudzos rakstos. Jūs varat redzēt dažus no tiem oriģinālā, ja apmeklējat Ņujorkas Dabaszinātņu muzeju. Kvarki, kā jau teicām, ir ārkārtīgi nozīmīgs mūsu laika atklājums, un tāpēc zinātnieku aprindās tiem tiek pievērsta liela uzmanība.
Pēdējais arguments
Tikai 1976. gadā pētnieki atrada vienu daļiņu ar šarmu, kas atšķiras no nulles, - neitrālo D-mezonu. Šī ir diezgan sarežģīta viena apburtā kvarka un u-antikvarka kombinācija. Šeit pat rūdīti kvarku pastāvēšanas pretinieki bija spiesti atzīt teorijas pareizību, kas pirmo reizi tika izteikta pirms vairāk nekā diviem gadu desmitiem. Viens no slavenākajiem teorētiskajiem fiziķiem Džons Eliss šarmu sauca par "sviru, kas pagrieza pasauli."
Drīz jaunatklājumu sarakstā tika iekļauts pāris īpaši masīvu kvarku augšā un apakšā, ko varēja viegli korelēt ar jau tajā laikā pieņemto SU(3) sistematizāciju. Pēdējos gados zinātnieki runā par tā saukto tetrakvarku esamību, ko daži zinātnieki jau ir nodēvējuši par "hadronu molekulām".
Daži secinājumi un secinājumi
Jums jāsaprot, ka kvarku eksistences atklājumu un zinātnisko pamatojumu patiešām var droši uzskatīt par zinātnisku revolūciju. Par tā sākumu var uzskatīt 1947. gadu (principā 1943. gads), un tā beigas iekrīt uz pirmā "apburtā" mezona atklāšanu. Izrādās, ka līdz šim pēdējā šāda līmeņa atklājuma ilgums ir ne mazāk kā 29 gadi (vai pat 32 gadi)! Un tas visslaiks tika pavadīts ne tikai kvarka atrašanai! Gluona plazma kā Visuma pirmatnējais objekts drīz piesaistīja daudz lielāku zinātnieku uzmanību.
Tomēr, jo sarežģītāka kļūst studiju joma, jo vairāk laika nepieciešams patiešām svarīgu atklājumu veikšanai. Runājot par daļiņām, par kurām mēs runājam, neviens nevar novērtēt par zemu šāda atklājuma nozīmi. Pētot kvarku uzbūvi, cilvēks varēs iekļūt dziļāk Visuma noslēpumos. Iespējams, tikai pēc pilnīgas to izpētes mēs varēsim noskaidrot, kā notika lielais sprādziens un pēc kādiem likumiem attīstās mūsu Visums. Jebkurā gadījumā tieši viņu atklājums ļāva pārliecināt daudzus fiziķus, ka realitāte, kas mūs ieskauj, ir daudz sarežģītāka nekā agrākie priekšstati.
Tātad jūs esat iemācījušies, kas ir kvarks. Šī daļiņa savulaik radīja lielu troksni zinātnes pasaulē, un šodien pētnieki ir pilni cerību beidzot atklāt visus tās noslēpumus.
