Baru setahun yang lalu, Peter Higgs dan François Engler menerima Hadiah Nobel untuk kerja mereka mengenai zarah subatom. Ia mungkin kelihatan tidak masuk akal, tetapi saintis telah membuat penemuan mereka setengah abad yang lalu, tetapi sehingga kini mereka tidak diberi kepentingan yang besar.
Pada tahun 1964, dua lagi ahli fizik berbakat turut tampil dengan teori inovatif mereka. Pada mulanya, dia juga hampir tidak menarik perhatian. Ini adalah pelik, kerana dia menerangkan struktur hadron, tanpanya tiada interaksi interatomik yang kuat mungkin. Itu adalah teori quark.
Apakah ini?
By the way, apakah itu quark? Ini adalah salah satu komponen hadron yang paling penting. Penting! Zarah ini mempunyai "separuh" putaran, sebenarnya adalah fermion. Bergantung pada warna (lebih lanjut mengenai yang di bawah), cas quark boleh sama dengan satu pertiga atau dua pertiga daripada proton. Bagi warna, terdapat enam daripadanya (generasi quark). Mereka diperlukan supaya prinsip Pauli tidak dilanggar.
Asasbutiran
Dalam komposisi hadron, zarah ini terletak pada jarak yang tidak melebihi nilai terkurung. Ini dijelaskan secara ringkas: mereka menukar vektor medan tolok, iaitu, gluon. Mengapakah quark sangat penting? Plasma gluon (tepu dengan kuark) ialah keadaan jirim di mana seluruh alam semesta terletak sejurus selepas letupan besar. Sehubungan itu, kewujudan quark dan gluon adalah pengesahan langsung bahawa dia benar-benar wujud.
Mereka juga mempunyai warna mereka sendiri, dan oleh itu, semasa pergerakan, mereka mencipta salinan maya mereka. Oleh itu, apabila jarak antara kuark meningkat, daya interaksi antara mereka meningkat dengan ketara. Seperti yang anda fikirkan, pada jarak minimum, interaksi hampir hilang (kebebasan tanpa gejala).
Oleh itu, sebarang interaksi kuat dalam hadron dijelaskan oleh peralihan gluon antara kuark. Jika kita bercakap tentang interaksi antara hadron, maka ia dijelaskan oleh pemindahan resonans pi-meson. Ringkasnya, secara tidak langsung, semuanya kembali kepada pertukaran gluon.
Berapa bilangan kuark dalam nukleon?
Setiap neutron terdiri daripada sepasang d-quark, dan juga satu u-quark. Setiap proton, sebaliknya, terdiri daripada satu d-quark dan sepasang u-quark. Ngomong-ngomong, huruf ditetapkan bergantung pada nombor kuantum.
Mari kita jelaskan. Sebagai contoh, pereputan beta dijelaskan dengan tepat oleh transformasi satu daripada jenis kuark yang sama dalam komposisi nukleon kepada yang lain. Untuk menjadikannya lebih jelas, proses ini boleh ditulis sebagai formula seperti ini: d=u + w (ini ialah pereputan neutron). Masing-masing,proton ditulis dengan formula yang sedikit berbeza: u=d + w.
Sebenarnya, proses terakhirlah yang menerangkan aliran berterusan neutrino dan positron daripada gugusan bintang besar. Jadi, pada skala alam semesta, terdapat beberapa zarah yang sama pentingnya dengan quark: plasma gluon, seperti yang telah kami katakan, mengesahkan fakta letupan besar, dan kajian tentang zarah ini membolehkan saintis memahami dengan lebih baik intipati dunia tempat kita tinggal.
Apakah yang lebih kecil daripada quark?
By the way, quark terdiri daripada apa? Zarah konstituennya ialah preon. Zarah-zarah ini sangat kecil dan kurang difahami, sehingga hari ini tidak banyak yang diketahui tentangnya. Itulah yang lebih kecil daripada quark.
Dari manakah mereka berasal?
Sehingga kini, dua hipotesis yang paling biasa tentang pembentukan preon: teori rentetan dan teori Bilson-Thompson. Dalam kes pertama, penampilan zarah ini dijelaskan oleh ayunan rentetan. Hipotesis kedua menunjukkan bahawa penampilan mereka disebabkan oleh keadaan ruang dan masa yang teruja.
Menariknya, dalam kes kedua, fenomena itu boleh diterangkan sepenuhnya menggunakan matriks pemindahan selari di sepanjang lengkung rangkaian putaran. Sifat-sifat matriks ini mendahuluinya untuk preon. Inilah asal usul quark.
Merumuskan beberapa keputusan, kita boleh mengatakan bahawa quark adalah sejenis "quanta" dalam komposisi hadron. Terkesan? Dan sekarang kita akan bercakap tentang bagaimana quark ditemui secara umum. Ini adalah kisah yang sangat menarik, yang, sebagai tambahan, mendedahkan sepenuhnya beberapa nuansa yang diterangkan di atas.
Zarah pelik
Sejurus selepas tamat Perang Dunia II, saintis mula aktif meneroka dunia zarah subatom, yang sehingga ketika itu kelihatan sederhana secara primitif (mengikut idea tersebut). Proton, neutron (nukleon) dan elektron membentuk atom. Pada tahun 1947, pion telah ditemui (dan kewujudannya telah diramalkan pada tahun 1935), yang bertanggungjawab untuk tarikan bersama nukleon dalam nukleus atom. Lebih daripada satu pameran saintifik telah dikhaskan untuk acara ini pada satu masa. Quark belum lagi ditemui, tetapi detik serangan terhadap "jejak" mereka semakin hampir.
Neutrino belum lagi ditemui pada masa itu. Tetapi kepentingan ketara mereka dalam menjelaskan pereputan beta atom adalah sangat besar sehingga para saintis tidak mempunyai keraguan tentang kewujudan mereka. Di samping itu, beberapa antizarah telah pun dikesan atau diramalkan. Satu-satunya perkara yang masih tidak jelas ialah keadaan dengan muon, yang terbentuk semasa pereputan pion dan seterusnya berpindah ke dalam keadaan neutrino, elektron, atau positron. Ahli fizik tidak faham untuk apa stesen perantaraan ini sama sekali.
Malangnya, model yang begitu ringkas dan bersahaja tidak bertahan lama pada saat penemuan peonies. Pada tahun 1947, dua ahli fizik Inggeris, George Rochester dan Clifford Butler, menerbitkan artikel menarik dalam jurnal saintifik Nature. Bahan untuknya adalah kajian mereka tentang sinar kosmik melalui ruang awan, di mana mereka memperoleh maklumat yang ingin tahu. Pada salah satu gambar yang diambil semasa pemerhatian, sepasang trek dengan permulaan yang sama kelihatan jelas. Oleh kerana percanggahan itu menyerupai Latin V, ia serta-merta menjadi jelas– cas zarah ini pasti berbeza.
Para saintis segera menganggap bahawa jejak ini menunjukkan fakta pereputan beberapa zarah yang tidak diketahui, yang tidak meninggalkan kesan lain. Pengiraan telah menunjukkan bahawa jisimnya adalah kira-kira 500 MeV, yang jauh lebih besar daripada nilai ini untuk elektron. Sudah tentu, para penyelidik memanggil penemuan mereka sebagai zarah-V. Walau bagaimanapun, ia belum lagi quark. Zarah ini masih menunggu di sayap.
Ini baru bermula
Semuanya bermula dengan penemuan ini. Pada tahun 1949, dalam keadaan yang sama, jejak zarah ditemui, yang menimbulkan tiga pion sekaligus. Tidak lama kemudian menjadi jelas bahawa dia, serta zarah-V, adalah wakil yang sama sekali berbeza dari sebuah keluarga yang terdiri daripada empat zarah. Selepas itu, mereka dipanggil K-mesons (kaon).
Sepasang kaon bercas mempunyai jisim 494 MeV, dan dalam kes cas neutral - 498 MeV. Ngomong-ngomong, pada tahun 1947, saintis cukup bernasib baik untuk menangkap hanya kes yang sangat jarang berlaku tentang pereputan kaon positif, tetapi pada masa itu mereka tidak dapat mentafsir imej dengan betul. Walau bagaimanapun, untuk menjadi benar-benar adil, sebenarnya, pemerhatian pertama kaon dibuat pada tahun 1943, tetapi maklumat tentang perkara ini hampir hilang berlatar belakangkan banyak penerbitan saintifik selepas perang.
Keanehan baharu
Dan kemudian lebih banyak penemuan menanti saintis. Pada tahun 1950 dan 1951, penyelidik dari Universiti Manchester dan Melnburg berjaya menemui zarah yang jauh lebih berat daripada proton dan neutron. Ia sekali lagi tidak mempunyai cas, tetapi reput menjadi proton dan pion. Yang terakhir, seperti yang boleh difahami,caj negatif. Zarah baharu itu dinamakan Λ (lambda).
Semakin lama masa berlalu, semakin banyak soalan yang ditanya oleh saintis. Masalahnya ialah zarah baru timbul secara eksklusif daripada interaksi atom yang kuat, dengan cepat mereput ke dalam proton dan neutron yang diketahui. Di samping itu, mereka sentiasa muncul secara berpasangan, tidak pernah ada manifestasi tunggal. Itulah sebabnya sekumpulan ahli fizik dari Amerika Syarikat dan Jepun mencadangkan menggunakan nombor kuantum baru - keanehan - dalam penerangan mereka. Menurut definisi mereka, keanehan semua zarah lain yang diketahui adalah sifar.
Penyelidikan lanjut
Kejayaan dalam penyelidikan berlaku hanya selepas kemunculan sistematisasi baru hadron. Tokoh yang paling menonjol dalam hal ini ialah Yuval Neaman Israel, yang mengubah kerjaya seorang lelaki tentera yang cemerlang kepada laluan seorang saintis yang sama cemerlang.
Dia perasan bahawa meson dan baryon yang ditemui pada masa itu mereput, membentuk gugusan zarah yang berkaitan, gandaan. Ahli-ahli setiap persatuan sedemikian mempunyai keanehan yang sama, tetapi cas elektrik yang bertentangan. Memandangkan interaksi nuklear yang sangat kuat tidak bergantung sama sekali pada cas elektrik, dalam semua aspek lain zarah daripada gandaan kelihatan seperti kembar sempurna.
Para saintis mencadangkan bahawa beberapa simetri semula jadi bertanggungjawab untuk penampilan formasi sedemikian, dan tidak lama kemudian mereka berjaya menemuinya. Ia ternyata merupakan generalisasi mudah kumpulan putaran SU(2), yang digunakan oleh saintis di seluruh dunia untuk menerangkan nombor kuantum. Di sinihanya pada masa itu 23 hadron sudah diketahui, dan putarannya adalah sama dengan 0, ½ atau unit integer, dan oleh itu tidak mungkin untuk menggunakan pengelasan sedemikian.
Akibatnya, dua nombor kuantum terpaksa digunakan untuk pengelasan sekaligus, yang menyebabkan pengelasan telah berkembang dengan ketara. Ini adalah bagaimana kumpulan SU(3) muncul, yang dicipta pada awal abad oleh ahli matematik Perancis Elie Cartan. Untuk menentukan kedudukan sistematik setiap zarah di dalamnya, saintis telah membangunkan program penyelidikan. Quark kemudiannya dengan mudah memasuki siri sistematik, yang mengesahkan ketepatan mutlak pakar.
Nombor kuantum baharu
Jadi saintis mendapat idea untuk menggunakan nombor kuantum abstrak, yang menjadi hypercharge dan putaran isotop. Walau bagaimanapun, keanehan dan cas elektrik boleh diambil dengan kejayaan yang sama. Skim ini secara konvensional dipanggil Laluan Berunsur Lapan. Ini menangkap analogi dengan Buddhisme, di mana sebelum mencapai nirwana, anda juga perlu melalui lapan peringkat. Namun, semua ini adalah lirik.
Neeman dan rakan sekerjanya, Gell-Mann, menerbitkan karya mereka pada tahun 1961, dan bilangan meson yang diketahui ketika itu tidak melebihi tujuh. Tetapi dalam kerja mereka, para penyelidik tidak takut untuk menyebut kebarangkalian tinggi kewujudan meson kelapan. Pada tahun 1961 yang sama, teori mereka telah disahkan dengan cemerlang. Zarah yang ditemui dinamakan eta meson (huruf Yunani η).
Penemuan dan eksperimen lanjut dengan kecerahan mengesahkan ketepatan mutlak pengelasan SU(3). Keadaan ini telah menjadi kuatinsentif untuk penyelidik yang mendapati bahawa mereka berada di landasan yang betul. Malah Gell-Mann sendiri tidak lagi meragui bahawa kuark wujud dalam alam semula jadi. Ulasan tentang teorinya tidak terlalu positif, tetapi saintis yakin bahawa dia betul.
Inilah quark
Tidak lama kemudian artikel "Model skematik baryon dan meson" diterbitkan. Di dalamnya, saintis dapat mengembangkan lagi idea sistematisasi, yang ternyata sangat berguna. Mereka mendapati bahawa SU(3) agak membenarkan kewujudan keseluruhan triplet fermion, cas elektriknya berjulat dari 2/3 hingga 1/3 dan -1/3, dan dalam triplet satu zarah sentiasa mempunyai keanehan bukan sifar. Gell-Mann, yang sudah terkenal kepada kita, memanggil mereka "zarah asas quark."
Mengikut pertuduhan, dia menetapkan mereka sebagai u, d dan s (daripada perkataan Inggeris up, down dan strange). Selaras dengan skema baru, setiap baryon dibentuk oleh tiga quark sekaligus. Mesons adalah lebih mudah. Ia termasuk satu quark (peraturan ini tidak tergoyahkan) dan antiquark. Hanya selepas itu komuniti saintifik menyedari kewujudan zarah-zarah ini, yang artikel kami dikhaskan.
Sedikit lagi latar belakang
Artikel ini, yang sebahagian besarnya menentukan perkembangan fizik untuk tahun-tahun akan datang, mempunyai latar belakang yang agak ingin tahu. Gell-Mann memikirkan tentang kewujudan kembar tiga jenis ini jauh sebelum penerbitannya, tetapi tidak membincangkan andaiannya dengan sesiapa pun. Hakikatnya andaian beliau tentang kewujudan zarah dengan cas pecahan kelihatan seperti karut. Walau bagaimanapun, selepas bercakap dengan ahli fizik teori terkenal Robert Serber, dia mengetahui bahawa rakan sekerjanyamembuat kesimpulan yang sama.
Selain itu, saintis membuat satu-satunya kesimpulan yang betul: kewujudan zarah sedemikian mungkin hanya jika ia bukan fermion bebas, tetapi merupakan sebahagian daripada hadron. Sesungguhnya, dalam kes ini, pertuduhan mereka membentuk satu keseluruhan! Pada mulanya, Gell-Mann menggelar mereka sebagai quark malah menyebutnya di MTI, tetapi reaksi pelajar dan guru sangat terkawal. Itulah sebabnya saintis itu berfikir untuk masa yang lama sama ada dia harus menyerahkan penyelidikannya kepada umum.
Perkataan "quark" (bunyi yang mengingatkan tangisan itik) diambil daripada karya James Joyce. Cukup aneh, tetapi saintis Amerika menghantar artikelnya ke jurnal saintifik Eropah yang berprestij Physics Letters, kerana dia sangat takut bahawa editor edisi Amerika Physical Review Letters, yang serupa dari segi tahap, tidak akan menerimanya untuk diterbitkan. Ngomong-ngomong, jika anda ingin melihat sekurang-kurangnya salinan artikel itu, anda mempunyai jalan terus ke Muzium Berlin yang sama. Tiada kuark dalam eksposisinya, tetapi terdapat sejarah lengkap penemuan mereka (lebih tepat, bukti dokumentari).
Permulaan Revolusi Quark
Untuk bersikap adil, perlu diingatkan bahawa hampir pada masa yang sama, seorang saintis dari CERN, George Zweig, mendapat idea yang sama. Pertama, Gell-Mann sendiri adalah mentornya, dan kemudian Richard Feynman. Zweig juga menentukan realiti kewujudan fermion yang mempunyai cas pecahan, hanya memanggilnya ace. Selain itu, ahli fizik berbakat juga menganggap baryon sebagai trio quark, dan meson sebagai gabungan quark.dan antiquark.
Ringkasnya, pelajar itu mengulangi sepenuhnya kesimpulan gurunya, dan berpisah sepenuhnya daripadanya. Karya beliau muncul walaupun beberapa minggu sebelum penerbitan Mann, tetapi hanya sebagai karya "buatan rumah" institut. Walau bagaimanapun, kehadiran dua karya bebas, yang kesimpulannya hampir sama, yang serta-merta meyakinkan beberapa saintis tentang ketepatan teori yang dicadangkan.
Dari penolakan kepada kepercayaan
Tetapi ramai penyelidik menerima teori ini jauh dari serta-merta. Ya, wartawan dan ahli teori dengan cepat jatuh cinta dengannya kerana kejelasan dan kesederhanaannya, tetapi ahli fizik yang serius menerimanya hanya selepas 12 tahun. Jangan salahkan mereka kerana terlalu konservatif. Hakikatnya pada mulanya teori quark sangat bercanggah dengan prinsip Pauli, yang kami sebutkan pada awal artikel. Jika kita mengandaikan bahawa proton mengandungi sepasang u-quark dan satu d-quark, maka yang pertama mestilah berada dalam keadaan kuantum yang sama. Menurut Pauli, ini adalah mustahil.
Itulah apabila nombor kuantum tambahan muncul, dinyatakan sebagai warna (yang juga kami nyatakan di atas). Di samping itu, adalah tidak dapat difahami sepenuhnya bagaimana zarah asas quark berinteraksi antara satu sama lain secara umum, mengapa varieti bebasnya tidak berlaku. Semua rahsia ini banyak dibantu untuk dibongkar oleh Teori Medan Tolok, yang "diingatkan" hanya pada pertengahan 70-an. Pada masa yang sama, teori quark hadron dimasukkan secara organik di dalamnya.
Tetapi yang paling penting, perkembangan teori itu terhalang oleh ketiadaan sepenuhnya sekurang-kurangnya beberapa eksperimen eksperimen,yang akan mengesahkan kedua-dua kewujudan dan interaksi kuark antara satu sama lain dan dengan zarah lain. Dan mereka secara beransur-ansur mula muncul hanya dari akhir tahun 60-an, apabila perkembangan pesat teknologi memungkinkan untuk menjalankan eksperimen dengan "penghantaran" proton oleh aliran elektron. Eksperimen inilah yang memungkinkan untuk membuktikan bahawa sesetengah zarah benar-benar "tersembunyi" di dalam proton, yang pada asalnya dipanggil parton. Walau bagaimanapun, selepas itu, mereka yakin bahawa ini tidak lebih daripada quark sebenar, tetapi ini berlaku hanya pada penghujung tahun 1972.
Pengesahan percubaan
Sudah tentu, lebih banyak data eksperimen diperlukan untuk akhirnya meyakinkan komuniti saintifik. Pada tahun 1964, James Bjorken dan Sheldon Glashow (pemenang Hadiah Nobel masa depan) mencadangkan bahawa mungkin juga terdapat jenis quark keempat, yang mereka panggil terpesona.
Berkat hipotesis ini, pada tahun 1970 saintis telah dapat menjelaskan banyak keanehan yang diperhatikan semasa pereputan kaon bercas neutral. Empat tahun kemudian, dua kumpulan bebas ahli fizik Amerika sekaligus berjaya memperbaiki pereputan meson, yang termasuk hanya satu quark "terpesona", serta antiquarknya. Tidak menghairankan, peristiwa ini segera digelar Revolusi November. Buat pertama kalinya, teori kuark menerima lebih kurang pengesahan "visual".
Kepentingan penemuan ini dibuktikan dengan fakta bahawa ketua projek, Samuel Ting dan Barton Richter, sudah pun melaluimenerima Hadiah Nobel mereka selama dua tahun: peristiwa ini ditunjukkan dalam banyak artikel. Anda boleh melihat sebahagian daripadanya dalam bentuk asal jika anda melawat Muzium Sains Semula Jadi New York. Kuark, seperti yang telah kami katakan, adalah penemuan yang sangat penting pada zaman kita, dan oleh itu banyak perhatian diberikan kepada mereka dalam komuniti saintifik.
Hujah akhir
Sehingga tahun 1976 penyelidik mendapati satu zarah dengan daya tarikan bukan sifar, D-meson neutral. Ini adalah gabungan yang agak kompleks antara satu quark terpesona dan u-antiquark. Di sini, walaupun penentang keras kewujudan quark terpaksa mengakui ketepatan teori, pertama kali dinyatakan lebih daripada dua dekad yang lalu. Salah seorang ahli fizik teori yang paling terkenal, John Ellis, memanggil pesona "tuas yang mengubah dunia."
Tidak lama kemudian senarai penemuan baharu termasuk sepasang kuark besar terutamanya, atas dan bawah, yang boleh dikaitkan dengan mudah dengan sistematisasi SU(3) yang telah diterima pada masa itu. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, saintis telah bercakap tentang kewujudan apa yang dipanggil tetraquark, yang telah digelar oleh beberapa saintis sebagai "molekul hadron."
Beberapa kesimpulan dan kesimpulan
Anda perlu memahami bahawa penemuan dan justifikasi saintifik untuk kewujudan quark sememangnya boleh dianggap sebagai revolusi saintifik dengan selamat. Ia boleh dianggap sebagai tahun 1947 (pada dasarnya, 1943) sebagai permulaannya, dan penghujungnya jatuh pada penemuan meson "terpesona" pertama. Ternyata tempoh penemuan terakhir tahap ini setakat ini adalah, tidak kurang, sebanyak 29 tahun (atau bahkan 32 tahun)! Dan semua inimasa dihabiskan bukan sahaja untuk mencari quark! Sebagai objek primordial di alam semesta, plasma gluon tidak lama kemudian menarik lebih banyak perhatian daripada saintis.
Namun, semakin kompleks bidang kajian, semakin banyak masa yang diperlukan untuk membuat penemuan yang sangat penting. Bagi zarah yang kita bincangkan, tiada siapa yang boleh memandang rendah kepentingan penemuan sedemikian. Dengan mengkaji struktur kuark, seseorang akan dapat menembusi lebih dalam ke dalam rahsia alam semesta. Ada kemungkinan bahawa hanya selepas kajian lengkap tentang mereka barulah kita dapat mengetahui bagaimana letupan besar itu berlaku dan mengikut undang-undang apa yang dibangunkan oleh Alam Semesta kita. Walau apa pun, penemuan merekalah yang memungkinkan untuk meyakinkan ramai ahli fizik bahawa realiti di sekeliling kita jauh lebih rumit daripada idea-idea dahulu.
Jadi anda telah mempelajari apa itu quark. Zarah ini pada satu masa dahulu membuat banyak bunyi dalam dunia saintifik, dan hari ini para penyelidik penuh harapan untuk akhirnya mendedahkan semua rahsianya.
