Quark - is dat fan in dieltsje? Útfine wat it bestiet út kwarks. Wat dieltsje lytser as in quark?

Allinne in jier lyn, Peter Higgs en Fransua Engler wûn de Nobelpriis foar syn wurk, dat wie tawijd oan de stúdzje fan de subatomêre dieltsjes. Dit kin lykje bespotlik, mar syn ûntdekkingen wittenskippers hawwe makke in heale ieu lyn, mar oant hjoed de dei se net jaan al in bytsje grutte deal.

Yn 1964, twa mear bejeftige natuerkundige ek útfierd mei syn baanbrekkende teory. By earste, sy ek luts hast gjin omtinken. It is nuver, om't it beskreaun de struktuer fan hadrons, dy't binne ûnmisber foar elts ien sterk interatomic ynteraksje. Dat wie de teory fan de kwarks.

Wat is it?

Troch de wei, wat is in quark? Dit is ien fan de meast wichtige gearstalling fan in hadron. Wichtich! Dizze dieltsje hat in "heal" spin, eins wêzen fan in fermion. Ofhinklik fan de kleur (sjoch hjirûnder) quark lading kin gelyk oan de tredde of twa-tredde fan de lading fan in proton. Oangeande de kleuren, dêr't der seis (generaasje kwarks). Se binne nedich om net te yn striid mei it prinsipe fan Pauli.

basisynformaasje

As ûnderdiel fan dy dieltsjes hadrons steane op ôfstân fan op syn heechst de wearde fan 'e opsluting. De reden is simpel: hja wikseljen Vectors gauge fjild, dat is, de gluons. Wêrom is it sa wichtich quark? Gluon plasma (verzadigd kwarks) - in steat fan de saak, dêr't al it hielal fuortendaliks nei de oerknal. Accordingly, it bestean fan kwarks en gluons - in direkte befêstiging dat er wie yndie.

Se hawwe in eigen kleur, mar fanwege de beweging meitsje harren firtuele eksimplaren. Accordingly, doe't de ôfstân tusken quark krêft tusken harren is flink ferhege. As men kin yntinke, mei in minimale ôfstân fan ynteraksje praktysk ferdwynt (asymptotic frijheid).

Sa, gjin sterke ynteraksje yn hadrons fanwege de oergong fan gluons tusken de kwarks. As wy prate oer de ynteraksjes tusken hadrons, se ferklearje de oerdracht fan it pi-meson resonânsje. Simply sette, al yndirekt wer werombrocht nei de útwikseling fan gluons.

Hoe quark part fan 'e nucleons?

Elts neutron bestiet út in pear d-quark en tazhe ien u-quark. Elts proton oarsom, - fan 'e single d-quark pear u-quark. Troch de wei praten, de brieven wurde pleatst ôfhinklik fan 'e quantum nûmers.

Lit ús útlizze. Bygelyks, beta decay wurdt ferklearre frij it omfoarmjen fan ien fan itselde type quark yn in nucleon gearstalling nei in oare. Om wurde better begrepen as in formule dit proses kin wurde skreaun lykas dit: d = u + w (dit neutron ferfal). Accordingly, it proton is krekt wat oars formule: u = D + w.

Trouwens, it is de lêste proses wurdt útlein troch in fêst stream fan neutrino en positrons fan de grutte stjer klusters. Dus de skaal fan it hielal in bytsje minder wichtich dieltsje, dat is in quark-gluon plasma, sa't wy hawwe al sein, befêstiget de oerknal, en de stúdzje fan dy dieltsjes tastean wittenskippers om better begripe de essinsje fan 'e wrâld dêr't wy yn libje.

Mei minder as in quark?

Troch de wei, wat it bestiet út kwarks? Sy binne diel en parcel preons. Dizze dieltsjes binne hiel lyts en slecht begrepen, sadat dat ek hjoeddedei binne se bekend net sa folle. Hjir is lytsere kwarks.

Wêr komme se wei?

Hjoed, de meast foarkommende foarm preons twa hypotezen: string teory en de teory fan Bilson-Thompson. Yn it earste gefal, it optreden fan particle gegevens útlein string oscillation. De twadde hypotese suggerearret dat har oansjen wurdt feroarsake troch de oansleine tastân fan romte en tiid.

It is nijsgjirrich dat yn it twadde gefal is it mooglik om te beskriuwen it ferskynsel, mei help fan in matriks fan parallelle ferfier lâns bochten fan 'e spin netwurk. De eigenskippen fan dizze matriks sels en bepale dy foar preons. Dat is wat it bestiet út kwarks.

Summing omheech, kinne wy sizze dat de kwarks - in soarte fan "quanta" yn de gearstalling fan hadrons. Ûnder de yndruk? En no sille wy prate oer hoe om te dwaan wie iepen 'e quark. Dit is in tige spannend ferhaal, dat, ûnder oare dingen, folslein ferriedt komme de details beskreaun hjirboppe.

frjemde dieltsjes

Fuort nei de ein fan de Twadde Wrâldoarloch, wittenskippers hawwe bigoun om aktyf ferkenne de wrâld fan subatomêre dieltsjes, dat hie oant no ta like gewoan primitive (foar de werjefte). Protoanen, neutroanen (nucleons) atoom en elektroanen wurde foarme. Yn 1947 iepene hy Peonies (en foarsei har bestean yn 1935), dy't wiene ferantwurdlik foar de ûnderlinge oanlûkingskrêft fan de nucleons yn de kearn fan de atomen. Dit barren is gjin wittenskiplik útstalling waard wijd yn syn tiid. Kwarks wiene noch net iepen, mar de tiid fan 'e oanfal op harren "foetôfdruk" is hieltyd tichter by.

Neutrino op dat stuit noch net ûntdutsen. Mar harren dúdlik belang om te ferklearjen de beta ferfal fan atomen wie sa grut dat wittenskippers hawwe in bytsje twifel fan har bestean. Dêrneist al ûntdekke of foarsizze wat antiparticles. Situaasje bleau ûndúdlik allinne mei muons dy't foarme yn it ferfal fan pions en dêrnei in oergong nei it neutrino, elektron of positron. Natuerkundigen net begrepen, wêrom ik nedich dit tuskenlizzende stasjon.

Och, sa'n ienfâldich en pretentieloze model hiel koart oerlibbe de iepening fan 'e pions. Yn 1947, twa Ingelske natuerkundige Dzhordzh Rochester en Clifford Butler, publisearre in nijsgjirrich artikel yn it wittenskiplik tydskrift Nature. Hja tsjinne as materiaal foar harren stúdzje of Kosmyske strielen troch de wolk keamer, ûnder dêr't se krigen prelyubopytny ynformaasje. Op ien fan de foto fêstlein yn de konstatearring, it wie dúdlik sichtber in pear nûmers mei in mienskiplike oarsprong. Sûnt it ferskil wie lykas Latyn V, dan waard it dúdlik - de lading fan dy dieltsjes is perfoarst oars.

Wittenskippers ien kear fan útgien dat dizze tracks wize op it feit fan it ynstoarten fan in pear ûnbekende dieltsje, dat is net oerbleaun efter oare tracks. Berekkeningen die bliken dat syn massa - likernôch 500 MeV, dat is folle grutter as dizze wearde foar it elektron. Fansels, de ûndersikers hawwe neamd harren iepening V-dieltsje. Mar dit wie net it quark. Dit dieltsje wie noch wachte yn 'e wjukken.

Allinne it begjin

Mei dizze ûntdekking, dat it allegear begûn. Yn 1949, ûnder deselde betingsten it dieltsje baan fûn, dat joech oanlieding ta krekt trije pions. Al gau waard dúdlik dat sy, en ek de V-bit - hiel ferskillende leden fan de famylje, besteande út fjouwer dieltsjes. Letter waarden se neamd K-mesons (kaons).

In pear beladen kaons hawwe in massa 494 MeV, en yn it gefal fan neutrale lading - 498 MeV. Trouwens, yn 1947, wittenskippers hie it gelok te feroverjen krekt itselde hiel seldsum gefal fan in positive Kaon ferfalt, mar op dat momint se krekt wiene net by steat om korrekt ynterpretaasje de foto. Lykwols, to wêzen folslein earlik, it is eins de earste observaasje fan in Kaon waard makke wer yn 1943, mar ynformaasje oer it wie hast ferlern tsjin de eftergrûn fan tal fan post-oarloch wittenskiplike publikaasjes.

nij talint

En dan de wittenskippers wachte foar fierdere ûntdekkingen. Yn 1950 en 1951 hawwe ûndersikers fan de universiteiten fan Manchester en Melnburskogo wist te finen in dieltsje is folle swierder as protoanen en neutroanen. Se wer hie gjin lading, mar ferfalt yn in proton en in pion. Dy lêste, sa't kinst fertelle, hie in negative lading. In nij dieltsje oantsjutten mei de letter Λ (lambda).

De mear tiid foarby, de mear fragen ûntsteane út de wittenskippers. It probleem wie dat de nije dieltsjes wurde produsearre útslutend troch de sterke nukleêre ynteraksjes, fluch brekke del te foarmjen protoanen en neutroanen. Boppedat, se altyd ferskine yn pearen, de single manifestaasjes nea die. Dat is wêrom in groep natuerkundigen út de Feriene Steaten en Japan foarstelde te brûken yn harren beskriuwing fan in nij kwantum nûmer - in Oddity. Neffens harren definysje, de frjemdens fan alle oare bekende dieltsjes nul.

fierder ûndersyk

Trochbraak yn it ûndersyk stúdzjes barde pas nei it ûntstean fan in nije systematization fan hadrons. In foaroansteand figuer yn dit wie de Israelyske Yuval Ne'eman, dy't feroare syn treflik militêre karriêre te wêzen as briljant in wittenskipper.

Hy wiisde derop dat it iepen troch de tiid de mesons en baryons ferfal, dy't in kluster fan besibbe dieltsjes multiplets. Leden fan elk sa'n feriening frjemdens besitte hielendal gelyk, mar tsjinoer elektryske ladingen. Dus hoe komt it sterke nukleêre ynteraksje fan elektryske ladingen net ôfhinklik is, yn al de rest fan multiplets dieltsjes sjogge perfekte twilling.

Wittenskippers hawwe suggerearre dat it foarkommen fan sokke formaasjes foldocht oan bepaalde natuerlike symmetry, en gau se koenen fine har. It wie in ienfâldige feralgemienjen fan de spin groep SU (2), dêr't wittenskippers om de wrâld brûkt te beskriuwen de quantum nûmers. Dat is krekt op dat stuit wie al bekend 23 hadrons, en hjar rêch wiene gelyk oan 0, ½ of de hiele ienheid, dus brûk dizze klassifikaasje wie net mooglik.

Dêrtroch is it moast brûkt wurde foar de klassifikaasje ien kear twa Quantum getallen, dêrtroch sterk útwreide de yndieling. En der wie in groep fan SU (3), dy't oan it begjin fan de ieu troch de Frânske wiskundige Elie Cartan. Fêst te stellen de Taxonomic posysje fan eltse dieltsje dêryn, it ûndersyk programma is ûntwikkele troch wittenskippers. Quark dêrnei maklik ynfierd yn in systematyske rige, dy't befêstige de absolute rightness fan eksperts.

Nije kwantum getal

Sa wittenskippers hawwe komme by it idee fan it brûken fan in abstrakt kwantum nûmers, dy't wurden hypercharge en isotopic spin. Lykwols, mei deselde sukses is it mooglik om de frjemdens en elektryske lading. Dizze regeling is konvinsjoneel neamd eightfold Paad. Dit wurdt finzennommen analogy mei boedisme, dêr't te berikken Nirvana ek moatte lâns de acht nivo. Lykwols, dit alles teksten.

Neeman syn wurk en syn kollega, Gell-Mann, publisearre yn 1961, en it tal fan de doe bekende mesons net mear as saun. Mar yn harren papier, de ûndersikers wiene net benaud te hawwen oer de hege kâns op it bestean fan 'e achtste meson. Ek yn 1961, har teory briljant befêstige. Fûn in dieltsje neamd de eta meson (de Grykske letter η).

Fierdere ûntdekkings en eksperiminten briljant befêstige it correctness fan 'e absolute klassifikaasje fan SU (3). Dit waard in machtige stimulâns foar ûndersikers dy't hawwe fûn dat se op it goede paad. Sels de Gell-Mann hie gjin twifel yn it feit dat yn de natuer der binne kwarks. Resinsjes fan syn teoryen wienen net hiel posityf, mar de wittenskipper wie derfan oertsjûge dat er wie gelyk.

Hjir en kwarks!

Al gau nei it artikel "In skematyske model fan baryons en mesons." Yn it, wittenskippers wienen by steat om fierder te ûntwikkeljen it idee fan systematization, dat hat bliken dien sa brûkber. Se fûn dat SU (3) wurdt hielendal giet it bestean fan 'e hiele trijelingen fermioanen, de elektryske lading fariearret fan 2/3 oant 1/3 en 1/3, dêr't yn' e triplet iene dieltsje is altyd oars Artilleribataljonen frjemdens. Al goed-bekend oan ús Gell-Mann neamde harren "de elemintêre dieltsjes kwarks."

Neffens de lêsten, hy bestimpele se as u, d en s (fan it Ingelske wurden omheech, omleech en strange). Yn oerienstimming mei de nije regeling, eltse foarme troch trije baryon quark. Mesons oardere binne folle makliker. Se befetsje ien quark (dizze regel is ûnferoarlike) en in antiquark. Pas nei dat de wittenskiplike mienskip waard bewust fan it bestean fan dy dieltsjes, dy't binne it ûnderwerp fan ús artikel.

In bytsje mear skiednis

Dit artikel, dy't foar in grut part bepaald de ûntwikkeling fan de fysika yn de jierren foarút, hat in frijwat nijsgjirrige skiednis. Gell-Mann tocht fan it bestean fan sokke trijelingen lang foar't syn publikaasje, mar gjin ien te besprekken harren útgongspunten. It feit dat syn ferûnderstelling fan it bestean fan de dieltsjes dy't in fraksjonele lading, seach as gibberish. Lykwols, nei in petear mei in treflik teoretyske fysikus Robert Serber er leard dat syn kollega hat dien krekt deselde konklúzjes.

Boppedat, de wittenskipper makke de ienige korrekte konklúzje dat it bestean fan sokke dieltsjes is allinnich mooglik as sy binne net frij fermioanen, en binne in part fan de hadrons. Ja, yn dit gefal, harren heffingen yntegrearre! Earst fan Gell-Mann rôp harren kvorkami en sels neamd se yn MTI, mar de reaksje fan studinten en dosinten wie tige lege-kaai. Dat is wêrom in wittenskipper foar in lange tiid tinken oer de fraach oft hy moat om syn ûndersyk nei it publyk.

It wurd "quark" (dit lûd as de gjalp fan 'e einen) waard nommen út' e wurken fan James Joyce. Gek genôch, mar de Amerikaanske gelearde stjoerde syn artikel yn de prestigieuze Europeeske wittenskiplik tydskrift Physics Letters, want serieus benaud dat in ferlykbere revyzje fan it nivo fan 'e Amerikaanske edysje fan Physical Review Letters sil net oannimme it foar publikaasje. Troch de wei, as jo wolle sjen foar op syn minst in kopy fan it artikel - jo lieden dyk nei deselde Berlyn museum. Kwarks yn syn eksposysje is net beskikber, mar it folsleine ferhaal fan harren ûntdekking (of leaver, dokumintêre bewiis) is.

Beginning quark revolúsje

Yn earlikheid hjir moat opmurken wurde dat hast op itselde stuit oan deselde gedachte kaam fan CERN wittenskipper, Dzhordzh Tsveyg. Earst, syn learmaster wie himsels Gell-Mann, en dan Richard Feynman. Zweig ek definiearre de realiteit fan fermioanen, dat hie in fraksjonele lading, mar neamde se aces. Boppedat, in talintfolle natuerkundige ek beskôge baryons as de trije kwarks, en mesons - as in kombinaasje fan in quark en in antiquark.

Simply set, de learling fan syn learaar konklúzjes folslein reiterated, hielendal los fan it. Syn wurk hat ferskynde ek in pear wiken foar de publikaasje fan Mann, mar inkeld as in "home-made" ynstelling. Lykwols, it is de oanwêzichheid fan twa ûnôfhinklike wurken wêryn't de befinings wienen sawat gelyk, ienris oertsjûge guon wittenskippers trou oan de foarstelde teory.

Fan ôfwizing te fertrouwe

Mar in protte ûndersikers hawwe nommen dizze teory is net daliks. Ja, sjoernalisten en teoretisy gau rekke fereale op har foar dúdlikens en ienfâld, mar earnstige natuerkundigen hawwe akseptearre it pas nei sa lang as 12 jier. Jo moatte gjin skuld se foar oermjittich konservatisme. It feit dat de oarspronklike teory fan kwarks in skerpe tsjinstelling ta de Pauli útsluting prinsipe, dat wy neamd oan it begjin fan dit artikel. As wy der fan út dat it proton befettet in pear u-kwarks en de iennichste d-quark, de earste moat wêze strikt yn deselde kwantum steat. Neffens de Pauli, dat is ûnmooglik.

It wie doe en der wie in ekstra kwantum getal, ferwurde as in kleur (as wy neamd hjirboppe). Fierders is it net dúdlik hoe't algemiene quark elemintêre dieltsjes ynteraksje mei elkoar, wêrom net oan harren frije soarten. Al dizze mystearjes sterk holp unravel de peilskaal fjild teory, dy't "brocht oan geast" allinnich yn 'e midden jierren '70. Om deselde tiid, it quark teory fan hadrons natuere opnaam yn it.

Mar de measte fan alle hampered de ûntwikkeling fan 'e teory fan' e folslein ûntbrekken fan op syn minst in pear fan 'e eksperimintele testen dy't soe befêstigje sawol it bestean en de wikselwurking tusken de kwarks en oare dieltsjes. En hja stadichoan begûn te ferskinen pas oan de ein fan de jierren '60, doe't de flugge ûntwikkeling fan de technology tastien foar de ûnderfining fan in "oerdracht" elektron balken fan de protoanen. It is dizze ûnderfiningen hawwe tastien om te bewizen dat binnen protoanen echt "net sjen litte" wat dieltsjes, dat wie oarspronklik neamd partons. Ferfolgens, noch altyd oertsjûge dat it is neat as in wiere quark, mar it wie allinnich yn ein 1972.

eksperimintele befestiging

Fansels, foar de finale wittenskiplike mienskip leauwe it duorre in folle mear eksperimintele gegevens. Yn 1964, James Bjorken en Sheldon Glashow (takomstige Nobelpriiswinner, troch de wei) hawwe suggerearre, al kin der in fjirde quark soarten, dêr't se neamd moaie (moaie).

It is tank foar dizze hypoteze, wittenskippers yn 1970 wienen by steat om te ferklearjen de protte talint dy't hawwe beächte yn it ferfal fan neutrale kaons rekken brocht. Nei fjouwer jier, krekt twa ûnôfhinklike groep Amerikaanske natuerkundigen wienen by steat reparearje meson ferfal, dy't opnaam krekt ien "Charmed" quark en syn antiquark. It is gjin wûnder dat dit evenemint ienris neisyngronisaasje de November Revolúsje. Foar de earste kear de quark teory wie mear of minder "fisuele" befêstiging.

It belang fan 'e iepening fan' sei op syn minst it feit dat it projekt manager, Samuel Ting en Burton Richter, twa jier letter krige syn Nobelpriis: In evenemint is werom te finen yn in soad artikels. Mei guon fan harren kinne jo fine yn it orizjineel, as jo besykje New York museum fan de natuerlike histoarje. Kwarks, en as wy hawwe al sein - in tige wichtige ûntdekking fan moderne tiden, en dêrom omtinken yn de wittenskiplike mienskip betelle foar harren hiel soad.

ultima ratio

Allinne yn 1976, de ûndersikers dienen fine ien dieltsje mei in non- zero sjarme, de neutrale D-meson. Dit is in frijwat komplekse kombinaasje fan in Charmed quark en u-antiquark. Hjir sels de al draait de yngrevene fijannen fan it bestean fan kwarks waarden twongen te admit de wierheid fan 'e teory, earst beskreaun mear as twa desennia lyn. Ien fan 'e meast ferneamde teoretyske natuerkundigen, Dzhon Ellis, neamd de sjarme fan it "lever dat feroare de wrâld."

Gau, de list fan nije ûntdekkingen kamen yn en in pear hiel massive kwarks, boppe-of ûnderkant, dy't maklik by steat te krijen mei de al oannommen op de tiid fan opbou fan de SU (3). Yn de ôfrûne jierren, wittenskippers sizze dat der binne saneamde Tetraquarks dat guon wittenskippers hawwe de bynamme "hadron molekulen."

Guon fan 'e befinings en konklúzjes

Dêrby moat begrepen dat de iepening en de wittenskiplike ferantwurding foar it bestean fan 'kwarks, yn feite, kinne jo feilich oannimme dat de wittenskiplike revolúsje. It kin beskôge wurde as it begjin fan 1947 (yn feite 1943), en de ein dêrfan falt op de earste opspoaren fan "moaie" mesons. It docht bliken dat de doer fan de lêste datum fan iepening fan sa'n nivo is, noch mear noch minder, mar leafst 29 jier (of sels 32 jier)! En al dy tiid is trochbrocht net allinne om de wille fan it finen fan in quark! Gluon plasma as de primêre foarwerp yn it hielal gau luts fier mear omtinken foar wittenskippers.

Lykwols, de mear komplekse it wurdt fjild fan stúdzje, hoe langer it duorret te fieren út de echt wichtige ûntdekkings. En as wy binne de diskusje oer de dieltsjes, it belang fan dizze ûntdekking kin net ûnderskatte ien. De stúdzje fan de struktuer fan 'kwarks, de persoan sil by steat wêze om te kringen djipper yn' e geheimen fan it hielal. It is mooglik dat pas nei foltôgjen harren stúdzje kinne wy leare hoe't de oerknal en it hielal evoluearret neffens hokker wetten. Yn alle gefallen, is it mooglik om te iepenjen harren te oertsjûgjen protte natuerkundigen dat de werklikheid om ús hinne is folle dreger ferline optredens.

Sa do witst wat in quark. Dizze dieltsje op it stuit feroarsake in sensaasje yn de wittenskiplike wrâld, en tsjintwurdich ûndersikers binne hopeful úteinlik reveal al syn geheimen.