Len pred rokom dostali Peter Higgs a François Engler Nobelovu cenu za prácu na subatomárnych časticiach. Môže sa to zdať smiešne, ale vedci prišli na svoje objavy už pred polstoročím, no doteraz sa im nepripisoval veľký význam.
V roku 1964 prišli so svojou inovatívnou teóriou aj ďalší dvaja talentovaní fyzici. Spočiatku tiež nepútala takmer žiadnu pozornosť. Je to zvláštne, keďže opísala štruktúru hadrónov, bez ktorých nie je možná silná medziatómová interakcia. Bola to teória kvarkov.
Čo je toto?
Mimochodom, čo je to kvark? Toto je jedna z najdôležitejších zložiek hadrónu. Dôležité! Táto častica má "polovičný" spin, v skutočnosti je to fermión. V závislosti od farby (viac o tom nižšie) môže byť náboj kvarku rovný jednej tretine alebo dvom tretinám náboja protónu. Čo sa týka farieb, je ich šesť (generácií kvarkov). Sú potrebné, aby sa neporušil Pauliho princíp.
Základnépodrobnosti
V zložení hadrónov sa tieto častice nachádzajú vo vzdialenosti nepresahujúcej hodnotu zadržania. To sa vysvetľuje jednoducho: vymieňajú si vektory kalibračného poľa, teda gluóny. Prečo je kvark taký dôležitý? Gluónová plazma (nasýtená kvarkami) je stav hmoty, v ktorom sa nachádzal celý vesmír bezprostredne po veľkom tresku. Existencia kvarkov a gluónov je teda priamym potvrdením, že ním naozaj bol.
Majú tiež svoju farbu, a preto si počas pohybu vytvárajú svoje virtuálne kópie. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi kvarkami sa teda výrazne zvyšuje sila interakcie medzi nimi. Ako môžete hádať, pri minimálnej vzdialenosti interakcia prakticky zmizne (asymptotická sloboda).
Akákoľvek silná interakcia v hadrónoch sa teda vysvetľuje prechodom gluónov medzi kvarkami. Ak hovoríme o interakciách medzi hadrónmi, potom sa vysvetľujú prenosom rezonancie pi-mezónu. Jednoducho povedané, nepriamo všetko opäť závisí od výmeny gluónov.
Koľko kvarkov je v nukleónoch?
Každý neutrón pozostáva z páru d-kvarkov a dokonca z jedného u-kvarku. Každý protón je naopak tvorený jedným d-kvarkom a párom u-kvarkov. Mimochodom, písmená sú priradené v závislosti od kvantových čísel.
Poďme to vysvetliť. Napríklad beta rozpad sa vysvetľuje práve premenou jedného rovnakého typu kvarkov v zložení nukleónu na iný. Aby to bolo jasnejšie, tento proces možno napísať takto: d=u + w (toto je rozpad neutrónov). resp.protón sa zapisuje trochu iným vzorcom: u=d + w.
Mimochodom, práve posledný uvedený proces vysvetľuje neustály tok neutrín a pozitrónov z veľkých hviezdokôp. Takže v meradle vesmíru je len málo častíc tak dôležitých ako kvark: gluónová plazma, ako sme už povedali, potvrdzuje skutočnosť veľkého tresku a štúdie týchto častíc umožňujú vedcom lepšie pochopiť samotnú podstatu svet, v ktorom žijeme.
Čo je menšie ako kvark?
Mimochodom, z čoho sa skladajú kvarky? Ich základné častice sú preóny. Tieto častice sú veľmi malé a zle pochopiteľné, takže ani dnes sa o nich veľa nevie. To je to, čo je menšie ako kvark.
Odkiaľ prišli?
Doteraz najbežnejšie dve hypotézy vzniku preónov: teória strún a Bilson-Thompsonova teória. V prvom prípade sa vzhľad týchto častíc vysvetľuje osciláciami strún. Druhá hypotéza naznačuje, že ich vzhľad je spôsobený vzrušeným stavom priestoru a času.
Zaujímavé je, že v druhom prípade možno tento jav úplne opísať pomocou matice paralelného prenosu pozdĺž kriviek spinovej siete. Vlastnosti práve tejto matrice predurčujú tie pre preón. Z toho sú vyrobené kvarky.
Zhrnutím niektorých výsledkov môžeme povedať, že kvarky sú akési „kvantá“v zložení hadrónov. zaujatý? A teraz si povieme, ako bol kvark objavený vo všeobecnosti. Toto je veľmi zaujímavý príbeh, ktorý navyše plne odhaľuje niektoré nuansy opísané vyššie.
Podivné častice
Hneď po skončení 2. svetovej vojny začali vedci aktívne skúmať svet subatomárnych častíc, ktorý dovtedy vyzeral primitívne jednoducho (podľa tých predstáv). Protóny, neutróny (nukleóny) a elektróny tvoria atóm. V roku 1947 boli objavené pióny (a ich existencia bola predpovedaná už v roku 1935), ktoré boli zodpovedné za vzájomnú príťažlivosť nukleónov v jadre atómov. Tejto udalosti bola venovaná viac ako jedna vedecká výstava naraz. Kvarky ešte neboli objavené, ale moment útoku na ich „stopu“sa blížil.
Neutrína dovtedy ešte neboli objavené. Ale ich zjavný význam pri vysvetľovaní beta rozpadu atómov bol taký veľký, že vedci o ich existencii takmer nepochybovali. Navyše, niektoré antičastice už boli detegované alebo predpovedané. Jediné, čo zostalo nejasné, bola situácia s miónmi, ktoré vznikli pri rozpade piónov a následne prešli do stavu neutrína, elektrónu alebo pozitrónu. Fyzici vôbec nechápali, na čo slúži táto medzistanica.
Bohužiaľ, takýto jednoduchý a nenáročný model moment objavenia pivoniek dlho neprežil. V roku 1947 publikovali dvaja anglickí fyzici, George Rochester a Clifford Butler, zaujímavý článok vo vedeckom časopise Nature. Materiálom na to bolo ich štúdium kozmického žiarenia pomocou oblačnej komory, pri ktorom získavali kuriózne informácie. Na jednej z fotografií zhotovených počas pozorovania bola jasne viditeľná dvojica stôp so spoločným začiatkom. Keďže nezrovnalosť pripomínala latinské V, hneď bolo jasné– náboj týchto častíc je určite iný.
Vedci okamžite predpokladali, že tieto stopy poukazujú na fakt rozpadu nejakej neznámej častice, ktorá nezanechala žiadne ďalšie stopy. Výpočty ukázali, že jeho hmotnosť je asi 500 MeV, čo je oveľa viac ako táto hodnota pre elektrón. Svoj objav vedci samozrejme nazvali V-častica. To však ešte nebol kvark. Táto častica stále čakala v krídlach.
Práve to začína
Všetko to začalo týmto objavom. V roku 1949 bola za rovnakých podmienok objavená stopa častice, z ktorej vznikli tri pióny naraz. Čoskoro sa ukázalo, že ona, rovnako ako V-častica, sú úplne odlišnými predstaviteľmi rodiny pozostávajúcej zo štyroch častíc. Následne sa nazývali K-mezóny (kaony).
Pár nabitých kaónov má hmotnosť 494 MeV av prípade neutrálneho náboja - 498 MeV. Mimochodom, v roku 1947 mali vedci to šťastie, že zachytili práve ten istý veľmi zriedkavý prípad rozpadu pozitívneho kaonu, no vtedy jednoducho nedokázali správne interpretovať obraz. Aby sme však boli úplne spravodliví, v skutočnosti sa prvé pozorovanie kaonu uskutočnilo už v roku 1943, ale informácie o tom sa takmer stratili na pozadí mnohých povojnových vedeckých publikácií.
Nová zvláštnosť
A potom na vedcov čakali ďalšie objavy. V rokoch 1950 a 1951 sa výskumníkom z University of Manchester a Melnburg podarilo nájsť častice oveľa ťažšie ako protóny a neutróny. Opäť nemal náboj, ale rozpadol sa na protón a pion. To posledné, ako možno pochopiť,záporný náboj. Nová častica dostala názov Λ (lambda).
Čím viac času uplynulo, tým viac otázok mali vedci. Problém bol v tom, že nové častice vznikli výlučne zo silných atómových interakcií a rýchlo sa rozpadli na známe protóny a neutróny. Okrem toho sa vždy objavovali v pároch, nikdy sa nevyskytli jednotlivé prejavy. Preto skupina fyzikov z USA a Japonska navrhla pri svojom opise použiť nové kvantové číslo – podivnosť. Podľa ich definície bola zvláštnosť všetkých ostatných známych častíc nulová.
Ďalší výskum
Prelom vo výskume nastal až po objavení sa novej systematizácie hadrónov. Najvýraznejšou postavou v tomto bol Izraelčan Yuval Neaman, ktorý zmenil kariéru vynikajúceho vojenského muža na rovnako brilantnú dráhu vedca.
Všimol si, že mezóny a baryóny objavené v tom čase sa rozpadajú a vytvárajú zhluk príbuzných častíc, multipletov. Členovia každého takéhoto združenia majú presne rovnakú zvláštnosť, ale opačné elektrické náboje. Keďže skutočne silné jadrové interakcie vôbec nezávisia od elektrických nábojov, vo všetkých ostatných ohľadoch častice z multipletu vyzerajú ako dokonalé dvojčatá.
Vedci naznačili, že za vznik takýchto útvarov je zodpovedná určitá prirodzená symetria a čoskoro sa im ju podarilo nájsť. Ukázalo sa, že ide o jednoduché zovšeobecnenie spinovej skupiny SU(2), ktorú vedci z celého sveta použili na opis kvantových čísel. Tulen v tom čase už bolo známych 23 hadrónov a ich spiny sa rovnali 0, ½ alebo jednotke celého čísla, a preto nebolo možné použiť takúto klasifikáciu.
V dôsledku toho bolo potrebné na klasifikáciu použiť dve kvantové čísla naraz, čím sa klasifikácia výrazne rozšírila. Tak sa objavila skupina SU(3), ktorú na začiatku storočia vytvoril francúzsky matematik Elie Cartan. Na určenie systematickej polohy každej častice v nej vedci vyvinuli výskumný program. Kvark následne ľahko vstúpil do systematickej série, ktorá potvrdila absolútnu korektnosť odborníkov.
Nové kvantové čísla
Vedci teda prišli s nápadom použiť abstraktné kvantové čísla, ktoré sa stali hypernábojom a izotopovým spinom. S rovnakým úspechom však možno zaujať aj podivnosti a elektrický náboj. Táto schéma sa bežne nazývala Osemnásobná cesta. Vystihuje to analógiu s budhizmom, kde pred dosiahnutím nirvány musíte prejsť aj ôsmimi úrovňami. To všetko sú však texty.
Neeman a jeho kolega Gell-Mann publikovali svoju prácu v roku 1961 a počet vtedy známych mezónov nepresiahol sedem. Vedci sa ale vo svojej práci nebáli spomenúť vysokú pravdepodobnosť existencie ôsmeho mezónu. V tom istom roku 1961 bola ich teória brilantne potvrdená. Nájdená častica dostala názov eta mezon (grécke písmeno η).
Ďalšie zistenia a experimenty s jasnosťou potvrdili absolútnu správnosť klasifikácie SU(3). Táto okolnosť sa stala mocnoustimul pre výskumníkov, ktorí zistili, že sú na správnej ceste. O existencii kvarkov v prírode už nepochyboval ani samotný Gell-Mann. Recenzie na jeho teóriu neboli príliš pozitívne, ale vedec si bol istý, že mal pravdu.
Tu sú kvarky
Čoskoro vyšiel článok „Schémický model baryónov a mezónov“. Vedci v ňom dokázali ďalej rozvíjať myšlienku systematizácie, ktorá sa ukázala ako užitočná. Zistili, že SU(3) celkom umožňuje existenciu celých trojíc fermiónov, ktorých elektrický náboj sa pohybuje od 2/3 do 1/3 a -1/3 a v trojici má jedna častica vždy nenulovú podivnosť. Nám už dobre známy Gell-Mann ich nazval „kvarkovými elementárnymi časticami“.
Podľa obvinení ich označil ako u, d a s (z anglických slov up, down a strange). V súlade s novou schémou je každý baryón tvorený tromi kvarkami naraz. Mezóny sú oveľa jednoduchšie. Zahŕňajú jeden kvark (toto pravidlo je neotrasiteľné) a antikvark. Až potom sa vedecká komunita dozvedela o existencii týchto častíc, ktorej je venovaný náš článok.
Trochu viac pozadia
Tento článok, ktorý do značnej miery predurčil vývoj fyziky na ďalšie roky, má dosť zvláštne pozadie. Gell-Mann uvažoval o existencii tohto druhu trojíc dávno pred jeho zverejnením, no svoje predpoklady s nikým nepreberal. Faktom je, že jeho predpoklady o existencii častíc s frakčným nábojom vyzerali ako nezmysel. Po rozhovore s významným teoretickým fyzikom Robertom Serberom sa však dozvedel, že jeho kolegaurobil presne tie isté závery.
Okrem toho, vedec urobil jediný správny záver: existencia takýchto častíc je možná len vtedy, ak nejde o voľné fermióny, ale sú súčasťou hadrónov. Ich zverenci totiž v tomto prípade tvoria jeden celok! Gell-Mann ich spočiatku nazýval kvarky a dokonca ich spomenul na MTI, ale reakcia študentov a učiteľov bola veľmi zdržanlivá. Vedec preto veľmi dlho rozmýšľal, či by mal svoj výskum predložiť verejnosti.
Samotné slovo „quark“(zvuk pripomínajúci krik kačíc) bolo prevzaté z diela Jamesa Joycea. Napodiv, ale americký vedec poslal svoj článok do prestížneho európskeho vedeckého časopisu Physics Letters, pretože sa vážne obával, že editori americkej edície Physical Review Letters, podobnej úrovne, ho neprijmú na publikovanie. Mimochodom, ak si chcete pozrieť aspoň kópiu toho článku, máte priamu cestu do toho istého berlínskeho múzea. V jeho expozícii nie sú žiadne kvarky, ale je tam kompletná história ich objavu (presnejšie listinné dôkazy).
Začiatok Quarkovej revolúcie
Aby sme boli spravodliví, treba poznamenať, že takmer v rovnakom čase prišiel na podobný nápad aj vedec z CERN-u George Zweig. Najprv bol jeho mentorom samotný Gell-Mann a potom Richard Feynman. Zweig tiež určil realitu existencie fermiónov, ktoré mali zlomkové náboje, nazývali ich iba esá. Talentovaný fyzik navyše považoval baryóny za trio kvarkov a mezóny za kombináciu kvarkov.a antikvark.
Jednoducho povedané, študent úplne zopakoval závery svojho učiteľa a úplne sa od neho oddelil. Jeho práca sa objavila ešte pár týždňov pred Mannovou publikáciou, no len ako „domáce“dielo inštitútu. Bola to však prítomnosť dvoch nezávislých prác, ktorých závery boli takmer totožné, čo niektorých vedcov okamžite presvedčilo o správnosti navrhovanej teórie.
Od odmietnutia k dôvere
Mnohí výskumníci však túto teóriu neprijali ani zďaleka okamžite. Áno, novinári a teoretici si ho rýchlo obľúbili pre jeho jasnosť a jednoduchosť, no seriózni fyzici ho prijali až po 12 rokoch. Nevyčítajte im, že sú príliš konzervatívni. Faktom je, že spočiatku teória kvarkov ostro odporovala Pauliho princípu, ktorý sme spomenuli na samom začiatku článku. Ak predpokladáme, že protón obsahuje pár u-kvarkov a jeden d-kvark, potom ten prvý musí byť striktne v rovnakom kvantovom stave. Podľa Pauliho je to nemožné.
Vtedy sa objavilo ďalšie kvantové číslo vyjadrené ako farba (ktorú sme tiež spomenuli vyššie). Navyše bolo úplne nepochopiteľné, ako medzi sebou elementárne častice kvarkov celkovo interagujú, prečo sa nevyskytujú ich voľné variety. Všetky tieto tajomstvá výrazne pomohla odhaliť teória meracích polí, ktorá sa „spomenula“až v polovici 70. rokov. Približne v rovnakom čase do nej bola organicky zahrnutá aj kvarková teória hadrónov.
Najviac však vývoj teórie brzdila úplná absencia aspoň niektorých experimentálnych experimentov,čo by potvrdilo ako samotnú existenciu, tak aj interakciu kvarkov medzi sebou a s inými časticami. A postupne sa začali objavovať až od konca 60. rokov, kedy prudký rozvoj techniky umožnil uskutočniť experiment s „prenosom“protónov prúdmi elektrónov. Práve tieto experimenty umožnili dokázať, že niektoré častice sa skutočne „skryli“vo vnútri protónov, ktoré sa pôvodne nazývali partóny. Následne však boli presvedčení, že nejde o nič iné ako o pravý kvark, no stalo sa tak až koncom roku 1972.
Experimentálne potvrdenie
Samozrejme, bolo potrebných oveľa viac experimentálnych údajov, aby sme konečne presvedčili vedeckú komunitu. V roku 1964 James Bjorken a Sheldon Glashow (mimochodom budúci nositeľ Nobelovej ceny) navrhli, že by mohol existovať aj štvrtý druh kvarku, ktorý nazvali charmed.
Práve vďaka tejto hypotéze boli vedci už v roku 1970 schopní vysvetliť mnohé zvláštnosti, ktoré boli pozorované počas rozpadu neutrálne nabitých kaónov. O štyri roky neskôr sa dvom nezávislým skupinám amerických fyzikov naraz podarilo opraviť rozpad mezónu, ktorý zahŕňal iba jeden „čarovaný“kvark, ako aj jeho antikvark. Niet divu, že táto udalosť bola okamžite nazvaná novembrová revolúcia. Prvýkrát sa teórii kvarkov dostalo viac-menej „vizuálneho“potvrdenia.
O dôležitosti objavu svedčí fakt, že vedúci projektu Samuel Ting a Barton Richter už prešliprijali na dva roky Nobelovu cenu: táto udalosť sa odráža v mnohých článkoch. Niektoré z nich môžete vidieť v origináli, ak navštívite New York Museum of Natural Science. Kvarky, ako sme už povedali, sú mimoriadne dôležitým objavom našej doby, a preto sa im vo vedeckej komunite venuje veľká pozornosť.
Záverečný argument
Až v roku 1976 výskumníci našli jednu časticu s nenulovým šarmom, neutrálny D-mezón. Ide o pomerne zložitú kombináciu jedného očarovaného kvarku a u-antikvaru. Tu boli aj zarytí odporcovia existencie kvarkov nútení priznať správnosť teórie, prvýkrát vyslovenej pred viac ako dvoma desaťročiami. Jeden z najznámejších teoretických fyzikov, John Ellis, nazval kúzlo „pákou, ktorá otočila svet.“
Čoskoro zoznam nových objavov zahŕňal pár obzvlášť masívnych kvarkov, horný a spodný, ktoré sa dali ľahko korelovať s už vtedy akceptovanou systematizáciou SU(3). V posledných rokoch vedci hovoria o existencii takzvaných tetrakvarkov, ktoré už niektorí vedci nazvali „hadrónové molekuly.“
Niektoré závery a závery
Musíte pochopiť, že objav a vedecké zdôvodnenie existencie kvarkov možno skutočne bezpečne považovať za vedeckú revolúciu. Za jeho začiatok možno považovať rok 1947 (v zásade 1943) a jeho koniec pripadá na objavenie prvého „začarovaného“mezónu. Ukazuje sa, že trvanie posledného objavu tejto úrovne k dnešnému dňu je o nič menej až 29 rokov (alebo dokonca 32 rokov)! A toto všetkočas bol vynaložený nielen na nájdenie kvarku! Ako prvotný objekt vo vesmíre pritiahla gluónová plazma čoskoro oveľa viac pozornosti vedcov.
Čím je však oblasť štúdia zložitejšia, tým viac času trvá dosiahnutie skutočne dôležitých objavov. Čo sa týka častíc, o ktorých hovoríme, nikto nemôže podceňovať dôležitosť takéhoto objavu. Štúdiom štruktúry kvarkov bude človek schopný preniknúť hlbšie do tajomstiev vesmíru. Je možné, že až po ich kompletnom preštudovaní sa nám podarí zistiť, ako k veľkému tresku došlo a podľa akých zákonov sa náš Vesmír vyvíja. V každom prípade to bol ich objav, ktorý umožnil presvedčiť mnohých fyzikov, že realita, ktorá nás obklopuje, je oveľa komplikovanejšia ako predchádzajúce predstavy.
Takže ste sa naučili, čo je kvark. Táto častica svojho času spôsobila vo vedeckom svete veľa hluku a dnes sú výskumníci plní nádejí, že konečne odhalia všetky jej tajomstvá.
