Net een jaar geleden ontvingen Peter Higgs en François Engler de Nobelprijs voor hun werk aan subatomaire deeltjes. Het lijkt misschien belachelijk, maar wetenschappers deden hun ontdekkingen een halve eeuw geleden, maar tot nu toe werd er niet veel belang aan gehecht.
In 1964 kwamen nog twee getalenteerde natuurkundigen met hun vernieuwende theorie. In het begin trok ze ook bijna geen aandacht. Dit is vreemd, aangezien ze de structuur van hadronen beschreef, zonder welke geen sterke interatomaire interactie mogelijk is. Het was de quark-theorie.
Wat is dit?
Trouwens, wat is een quark? Dit is een van de belangrijkste componenten van het hadron. Belangrijk! Dit deeltje heeft een "halve" spin, in feite een fermion. Afhankelijk van de kleur (meer daarover hieronder), kan de lading van een quark gelijk zijn aan een derde of tweederde van die van een proton. Wat betreft kleuren, er zijn er zes (generaties quarks). Ze zijn nodig zodat het Pauli-principe niet wordt geschonden.
Basicdetails
In de samenstelling van hadronen bevinden deze deeltjes zich op een afstand die de opsluitingswaarde niet overschrijdt. Dit wordt eenvoudig uitgelegd: ze wisselen vectoren uit van het ijkveld, dat wil zeggen gluonen. Waarom is de quark zo belangrijk? Gluonplasma (verzadigd met quarks) is de toestand van de materie waarin het hele universum zich onmiddellijk na de oerknal bevond. Dienovereenkomstig is het bestaan van quarks en gluonen een directe bevestiging dat hij echt was.
Ze hebben ook hun eigen kleur en daarom maken ze tijdens de beweging hun virtuele kopieën. Dienovereenkomstig, als de afstand tussen quarks toeneemt, neemt de kracht van interactie tussen hen aanzienlijk toe. Zoals je zou kunnen raden, verdwijnt de interactie op een minimale afstand praktisch (asymptotische vrijheid).
Dus elke sterke interactie in hadronen wordt verklaard door de overgang van gluonen tussen quarks. Als we het hebben over interacties tussen hadronen, dan worden ze verklaard door de overdracht van pi-mesonresonantie. Simpel gezegd, indirect komt alles weer neer op de uitwisseling van gluonen.
Hoeveel quarks zijn er in nucleonen?
Elk neutron bestaat uit een paar d-quarks en zelfs een enkele u-quark. Elk proton daarentegen bestaat uit een enkele d-quark en een paar u-quarks. Trouwens, letters worden toegewezen afhankelijk van kwantumnummers.
Laten we het uitleggen. Beta-verval wordt bijvoorbeeld precies verklaard door de transformatie van een van hetzelfde type quarks in de samenstelling van het nucleon in een ander. Om het duidelijker te maken, kan dit proces als volgt worden geschreven: d=u + w (dit is neutronenverval). Respectievelijk,proton wordt geschreven met een iets andere formule: u=d + w.
Trouwens, het is het laatste proces dat de constante stroom van neutrino's en positronen uit grote sterrenhopen verklaart. Op de schaal van het heelal zijn er dus maar weinig deeltjes zo belangrijk als de quark: gluonplasma bevestigt, zoals we al zeiden, het feit van de oerknal, en studies van deze deeltjes stellen wetenschappers in staat om de essentie zelf beter te begrijpen van de wereld waarin we leven.
Wat is kleiner dan een quark?
Trouwens, waar bestaan quarks uit? Hun samenstellende deeltjes zijn preonen. Deze deeltjes zijn erg klein en slecht begrepen, zodat zelfs vandaag de dag niet veel over hen bekend is. Dat is kleiner dan een quark.
Waar komen ze vandaan?
Tot op heden de meest voorkomende twee hypothesen over de vorming van preonen: snaartheorie en Bilson-Thompson-theorie. In het eerste geval wordt het verschijnen van deze deeltjes verklaard door snaartrillingen. De tweede hypothese suggereert dat hun uiterlijk wordt veroorzaakt door een aangeslagen toestand van ruimte en tijd.
Interessant is dat in het tweede geval het fenomeen volledig kan worden beschreven met behulp van de matrix van parallelle overdracht langs de krommen van het spinnetwerk. De eigenschappen van deze matrix bepalen vooraf die van het preon. Dit is waar quarks van gemaakt zijn.
Als we enkele resultaten samenvatten, kunnen we zeggen dat quarks een soort "quanta" zijn in de samenstelling van hadronen. Onder de indruk? En nu zullen we praten over hoe de quark in het algemeen werd ontdekt. Dit is een zeer interessant verhaal, dat bovendien enkele van de hierboven beschreven nuances volledig onthult.
Vreemde deeltjes
Onmiddellijk na het einde van de Tweede Wereldoorlog begonnen wetenschappers actief de wereld van subatomaire deeltjes te verkennen, die er tot dan toe primitief eenvoudig uitzag (volgens die ideeën). Protonen, neutronen (nucleonen) en elektronen vormen een atoom. In 1947 werden pionen ontdekt (en hun bestaan werd al in 1935 voorspeld), die verantwoordelijk waren voor de onderlinge aantrekking van nucleonen in de kern van atomen. Aan dit evenement werd tegelijkertijd meer dan één wetenschappelijke tentoonstelling gewijd. Quarks waren nog niet ontdekt, maar het moment van aanval op hun "spoor" kwam steeds dichterbij.
Neutrino's waren toen nog niet ontdekt. Maar hun klaarblijkelijke belang bij het verklaren van het bètaverval van atomen was zo groot dat wetenschappers weinig twijfelden aan hun bestaan. Daarnaast zijn er al enkele antideeltjes gedetecteerd of voorspeld. Het enige dat onduidelijk bleef, was de situatie met muonen, die werden gevormd tijdens het verval van pionen en vervolgens overgingen in de toestand van een neutrino, elektron of positron. Natuurkundigen begrepen helemaal niet waar dit tussenstation voor diende.
Helaas, zo'n eenvoudig en pretentieloos model heeft het moment van ontdekking van pioenrozen niet lang overleefd. In 1947 publiceerden twee Engelse natuurkundigen, George Rochester en Clifford Butler, een interessant artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het materiaal daarvoor was hun studie van kosmische straling door middel van een wolkenkamer, waarbij ze curieuze informatie kregen. Op een van de foto's die tijdens de observatie zijn gemaakt, was duidelijk een paar sporen met een gemeenschappelijk begin te zien. Omdat de discrepantie leek op de Latijnse V, werd het meteen duidelijk– de lading van deze deeltjes is beslist anders.
Wetenschappers gingen er onmiddellijk van uit dat deze sporen duiden op het verval van een onbekend deeltje, dat geen andere sporen achterliet. Berekeningen hebben aangetoond dat de massa ongeveer 500 MeV is, wat veel groter is dan deze waarde voor een elektron. De onderzoekers noemden hun ontdekking natuurlijk het V-deeltje. Het was echter nog geen quark. Dit deeltje wachtte nog steeds in de coulissen.
Het begint net
Het begon allemaal met deze ontdekking. In 1949 werd onder dezelfde omstandigheden een spoor van een deeltje ontdekt, waaruit drie pionen tegelijk ontstonden. Al snel werd duidelijk dat zij, evenals het V-deeltje, totaal verschillende vertegenwoordigers zijn van een familie bestaande uit vier deeltjes. Vervolgens werden ze K-mesonen (kaonen) genoemd.
Een paar geladen kaonen heeft een massa van 494 MeV, en in het geval van een neutrale lading - 498 MeV. Trouwens, in 1947 hadden wetenschappers het geluk om precies hetzelfde zeer zeldzame geval van het verval van een positieve kaon vast te leggen, maar op dat moment konden ze het beeld eenvoudigweg niet correct interpreteren. Maar om helemaal eerlijk te zijn, de eerste waarneming van de kaon werd in 1943 gedaan, maar informatie hierover ging bijna verloren tegen de achtergrond van talloze naoorlogse wetenschappelijke publicaties.
Nieuwe gekheid
En toen wachtten wetenschappers nog meer ontdekkingen. In 1950 en 1951 wisten onderzoekers van de Universiteit van Manchester en Melnburg deeltjes te vinden die veel zwaarder waren dan protonen en neutronen. Het had weer geen lading, maar verviel in een proton en een pion. Dit laatste, zoals te begrijpen v alt,negatieve lading. Het nieuwe deeltje kreeg de naam Λ (lambda).
Hoe meer tijd er verstreek, hoe meer vragen wetenschappers hadden. Het probleem was dat nieuwe deeltjes uitsluitend voortkwamen uit sterke atomaire interacties, die snel uiteenvielen in de bekende protonen en neutronen. Bovendien verschenen ze altijd in paren, er waren nooit enkele manifestaties. Daarom stelde een groep natuurkundigen uit de VS en Japan voor om een nieuw kwantumgetal - vreemdheid - in hun beschrijving te gebruiken. Volgens hun definitie was de vreemdheid van alle andere bekende deeltjes nul.
Verder onderzoek
De doorbraak in het onderzoek vond pas plaats na de opkomst van een nieuwe systematisering van hadronen. De meest prominente figuur hierin was de Israëlische Yuval Neaman, die de carrière van een uitmuntende militair veranderde in een even briljant pad van een wetenschapper.
Hij merkte op dat de mesonen en baryonen die tegen die tijd werden ontdekt, vervallen en een cluster van verwante deeltjes, multiplets, vormen. De leden van elk van deze verenigingen hebben precies dezelfde vreemdheid, maar tegengestelde elektrische ladingen. Aangezien echt sterke nucleaire interacties helemaal niet afhankelijk zijn van elektrische ladingen, zien de deeltjes van het multiplet er in alle andere opzichten uit als perfecte tweelingen.
Wetenschappers suggereerden dat een natuurlijke symmetrie verantwoordelijk is voor het verschijnen van dergelijke formaties, en al snel slaagden ze erin om het te vinden. Het bleek een simpele veralgemening te zijn van de SU(2)-spingroep, die wetenschappers over de hele wereld gebruikten om kwantumgetallen te beschrijven. Hieralleen tegen die tijd waren er al 23 hadronen bekend en hun spins waren gelijk aan 0, ½ of een geheel getal, en daarom was het niet mogelijk om een dergelijke classificatie te gebruiken.
Als gevolg hiervan moesten twee kwantumgetallen tegelijk worden gebruikt voor classificatie, waardoor de classificatie aanzienlijk werd uitgebreid. Zo ontstond de groep SU(3), die aan het begin van de eeuw werd opgericht door de Franse wiskundige Elie Cartan. Om de systematische positie van elk deeltje daarin te bepalen, hebben wetenschappers een onderzoeksprogramma ontwikkeld. De quark kwam vervolgens gemakkelijk in de systematische reeks, wat de absolute juistheid van de experts bevestigde.
Nieuwe kwantumgetallen
Dus wetenschappers kwamen op het idee om abstracte kwantumgetallen te gebruiken, die hyperlading en isotopische spin werden. Vreemdheid en elektrische lading kunnen echter met hetzelfde succes worden ingenomen. Dit schema werd gewoonlijk het Achtvoudige Pad genoemd. Dit vat de analogie met het boeddhisme samen, waar je, voordat je het nirvana bereikt, ook door acht niveaus moet gaan. Dit zijn echter allemaal teksten.
Neeman en zijn collega, Gell-Mann, publiceerden hun werk in 1961 en het aantal mesonen dat toen bekend was, was niet meer dan zeven. Maar in hun werk waren de onderzoekers niet bang om de grote waarschijnlijkheid van het bestaan van het achtste meson te vermelden. In hetzelfde 1961 werd hun theorie op briljante wijze bevestigd. Het gevonden deeltje kreeg de naam eta meson (Griekse letter η).
Verdere bevindingen en experimenten met helderheid bevestigden de absolute juistheid van de SU(3)-classificatie. Deze omstandigheid is krachtig gewordeneen stimulans voor onderzoekers die vinden dat ze op de goede weg zijn. Zelfs Gell-Mann twijfelde er niet langer aan dat quarks in de natuur bestaan. Recensies over zijn theorie waren niet al te positief, maar de wetenschapper was er zeker van dat hij gelijk had.
Hier zijn de quarks
Binnenkort werd het artikel "Schematisch model van baryonen en mesonen" gepubliceerd. Daarin konden wetenschappers het idee van systematisering verder ontwikkelen, wat zo nuttig bleek te zijn. Ze ontdekten dat SU(3) het bestaan van hele tripletten van fermionen toelaat, waarvan de elektrische lading varieert van 2/3 tot 1/3 en -1/3, en in het triplet heeft één deeltje altijd niet-nul vreemdheid. Gell-Mann, al bekend bij ons, noemde ze "quark elementaire deeltjes."
Volgens de beschuldigingen noemde hij ze u, d en s (van de Engelse woorden omhoog, omlaag en vreemd). In overeenstemming met het nieuwe schema wordt elke baryon gevormd door drie quarks tegelijk. Mesonen zijn veel eenvoudiger. Ze bevatten een quark (deze regel is onwrikbaar) en een antiquark. Pas daarna werd de wetenschappelijke gemeenschap zich bewust van het bestaan van deze deeltjes, waaraan ons artikel is gewijd.
Een beetje meer achtergrond
Dit artikel, dat de ontwikkeling van de natuurkunde voor de komende jaren grotendeels vooraf bepaalde, heeft een nogal merkwaardige achtergrond. Gell-Mann dacht lang voor publicatie aan het bestaan van dit soort drielingen, maar besprak zijn aannames met niemand. Feit is dat zijn aannames over het bestaan van deeltjes met een fractionele lading onzin leken. Maar na een gesprek met de eminente theoretisch fysicus Robert Serber, hoorde hij dat zijn collegamaakte precies dezelfde conclusies.
Bovendien heeft de wetenschapper de enige juiste conclusie getrokken: het bestaan van dergelijke deeltjes is alleen mogelijk als het geen vrije fermionen zijn, maar deel uitmaken van hadronen. Inderdaad, in dit geval vormen hun kosten één geheel! Gell-Mann noemde ze aanvankelijk quarks en noemde ze zelfs op MTI, maar de reactie van studenten en docenten was zeer terughoudend. Daarom heeft de wetenschapper heel lang nagedacht of hij zijn onderzoek aan het publiek zou voorleggen.
Het woord "quark" (een geluid dat doet denken aan de kreet van eenden) is ontleend aan het werk van James Joyce. Vreemd genoeg, maar de Amerikaanse wetenschapper stuurde zijn artikel naar het prestigieuze Europese wetenschappelijke tijdschrift Physics Letters, omdat hij ernstig vreesde dat de redactie van de Amerikaanse editie van Physical Review Letters, vergelijkbaar qua niveau, het niet voor publicatie zou accepteren. Trouwens, als je op zijn minst naar een kopie van dat artikel wilt kijken, heb je een directe weg naar hetzelfde Berlijnse museum. Er zijn geen quarks in zijn uiteenzetting, maar er is een volledige geschiedenis van hun ontdekking (meer precies, gedocumenteerd bewijs).
Begin van de Quark-revolutie
Om eerlijk te zijn, moet worden opgemerkt dat bijna tegelijkertijd een wetenschapper van CERN, George Zweig, op een soortgelijk idee kwam. Eerst was Gell-Mann zelf zijn mentor, en daarna Richard Feynman. Zweig bepaalde ook de realiteit van het bestaan van fermionen die fractionele ladingen hadden, noemde ze alleen azen. Bovendien beschouwde de getalenteerde natuurkundige baryonen ook als een trio van quarks en mesonen als een combinatie van quarks.en antiquark.
Simpel gezegd, de student herhaalde volledig de conclusies van zijn leraar en was volledig gescheiden van hem. Zijn werk verscheen zelfs een paar weken voor de publicatie van Mann, maar alleen als een "zelfgemaakt" werk van het instituut. Het was echter de aanwezigheid van twee onafhankelijke werken, waarvan de conclusies bijna identiek waren, die sommige wetenschappers onmiddellijk overtuigden van de juistheid van de voorgestelde theorie.
Van afwijzing naar vertrouwen
Maar veel onderzoekers accepteerden deze theorie verre van onmiddellijk. Ja, journalisten en theoretici werden er al snel verliefd op vanwege de duidelijkheid en eenvoud, maar serieuze natuurkundigen accepteerden het pas na 12 jaar. Geef ze niet de schuld dat ze te conservatief zijn. Feit is dat de theorie van quarks aanvankelijk scherp in tegenspraak was met het Pauli-principe, dat we helemaal aan het begin van het artikel noemden. Als we aannemen dat een proton een paar u-quarks en een enkele d-quark bevat, dan moet de eerste zich strikt in dezelfde kwantumtoestand bevinden. Volgens Pauli is dit onmogelijk.
Toen verscheen er een extra kwantumgetal, uitgedrukt als een kleur (die we hierboven ook noemden). Bovendien was het volkomen onbegrijpelijk hoe elementaire deeltjes van quarks in het algemeen met elkaar omgaan, waarom hun vrije variëteiten niet voorkomen. Al deze geheimen werden enorm geholpen om te ontrafelen door de Theory of Gauge Fields, die pas in het midden van de jaren '70 'voor de geest kwam'. Rond dezelfde tijd werd de quarktheorie van de hadronen er organisch in opgenomen.
Maar bovenal werd de ontwikkeling van de theorie belemmerd door de volledige afwezigheid van ten minste enkele experimentele experimenten,wat zowel het bestaan als de interactie van quarks met elkaar en met andere deeltjes zou bevestigen. En ze begonnen geleidelijk pas vanaf het einde van de jaren 60 te verschijnen, toen de snelle ontwikkeling van technologie het mogelijk maakte om een experiment uit te voeren met de "overdracht" van protonen door elektronenstromen. Het waren deze experimenten die het mogelijk maakten om te bewijzen dat sommige deeltjes echt "verborgen" waren in de protonen, die oorspronkelijk partonen werden genoemd. Vervolgens waren ze er echter van overtuigd dat dit niet meer dan een echte quark was, maar dat gebeurde pas eind 1972.
Experimentele bevestiging
Natuurlijk waren er veel meer experimentele gegevens nodig om de wetenschappelijke gemeenschap eindelijk te overtuigen. In 1964 suggereerden James Bjorken en Sheldon Glashow (de toekomstige Nobelprijswinnaar trouwens) dat er misschien ook een vierde soort quark zou zijn, die ze gecharmeerd noemden.
Het was dankzij deze hypothese dat wetenschappers al in 1970 veel van de eigenaardigheden konden verklaren die werden waargenomen tijdens het verval van neutraal geladen kaonen. Vier jaar later slaagden twee onafhankelijke groepen Amerikaanse natuurkundigen er in één keer in om het verval van het meson te herstellen, dat slechts één "gecharmeerde" quark omvatte, evenals zijn antiquark. Het is niet verrassend dat deze gebeurtenis meteen de Novemberrevolutie werd genoemd. Voor het eerst kreeg de quarktheorie min of meer "visuele" bevestiging.
Het belang van de ontdekking blijkt uit het feit dat de projectleiders, Samuel Ting en Barton Richter, al klaar zijnontvingen hun Nobelprijs voor twee jaar: deze gebeurtenis wordt weerspiegeld in veel artikelen. Je kunt er een aantal in het origineel zien als je het New York Museum of Natural Science bezoekt. Quarks zijn, zoals we al zeiden, een uiterst belangrijke ontdekking van onze tijd, en daarom wordt er veel aandacht aan besteed in de wetenschappelijke gemeenschap.
Laatste argument
Pas in 1976 vonden onderzoekers één deeltje met een niet-nul charme, het neutrale D-meson. Dit is een vrij complexe combinatie van een charmed quark en een u-antiquark. Hier werden zelfs geharde tegenstanders van het bestaan van quarks gedwongen de juistheid van de theorie toe te geven, die meer dan twee decennia geleden voor het eerst werd beweerd. Een van de beroemdste theoretische natuurkundigen, John Ellis, noemde charme 'de hefboom die de wereld op zijn kop zette'.
Al snel bevatte de lijst met nieuwe ontdekkingen een paar bijzonder massieve quarks, boven en onder, die gemakkelijk konden worden gecorreleerd met de SU(3)-systematisering die toen al werd geaccepteerd. De afgelopen jaren hebben wetenschappers gesproken over het bestaan van zogenaamde tetraquarks, die sommige wetenschappers al 'hadronmoleculen' hebben genoemd.
Enkele conclusies en conclusies
Je moet begrijpen dat de ontdekking en wetenschappelijke rechtvaardiging voor het bestaan van quarks inderdaad veilig kan worden beschouwd als een wetenschappelijke revolutie. Het kan worden beschouwd als het jaar 1947 (in principe 1943) als het begin en het einde ervan v alt met de ontdekking van het eerste 'betoverde' meson. Het blijkt dat de duur van de laatste ontdekking van dit niveau tot nu toe maar liefst 29 jaar (of zelfs 32 jaar) is! En dit alleser werd niet alleen tijd besteed aan het vinden van de quark! Als het oerobject in het heelal trok gluonplasma al snel veel meer aandacht van wetenschappers.
Hoe complexer het studiegebied echter wordt, hoe meer tijd het kost om echt belangrijke ontdekkingen te doen. Wat betreft de deeltjes die we bespreken, kan niemand het belang van een dergelijke ontdekking onderschatten. Door de structuur van quarks te bestuderen, zal een persoon dieper kunnen doordringen in de geheimen van het universum. Het is mogelijk dat we pas na een volledige studie van hen in staat zullen zijn om erachter te komen hoe de oerknal is gebeurd en volgens welke wetten ons universum zich ontwikkelt. Het was in ieder geval hun ontdekking die het mogelijk maakte om veel natuurkundigen ervan te overtuigen dat de werkelijkheid om ons heen veel gecompliceerder is dan eerdere ideeën.
Dus je hebt geleerd wat een quark is. Dit deeltje maakte ooit veel lawaai in de wetenschappelijke wereld, en tegenwoordig hebben onderzoekers hoop om eindelijk al zijn geheimen te onthullen.
