АдукацыяСярэднюю адукацыю і школы

Кварк - гэта што за часціца? Даведайцеся, з чаго складаюцца кварк. Якая часціца менш кварка?

Толькі толькі год таму Піцер Хігса і Франсуа Энглер атрымалі Нобелеўскую прэмію за працу, якая была прысвечана даследаванню субатомных часціц. Гэта можа здацца недарэчным, але свае адкрыцці навукоўцы зрабілі яшчэ паўстагоддзя таму, але да гэтага дня ім не надавалі хоць калі-небудзь вялікага значэння.

У 1964 годзе яшчэ два таленавітыя фізіка таксама выступалі са сваёй наватарскай тэорыяй. Спярша яна таксама не прыцягнула практычна ніякай увагі. Гэта дзіўна, так як апісвала яна структуру адронаў, без якіх немагчыма ні адно моцнае межатомные ўзаемадзеянне. Гэта была тэорыя кваркаў.

Што гэта такое?

Дарэчы, што такое кварк? Гэта адна з найважнейшых складовых частак адроннага. Важна! Гэтая часціца валодае «Палова» спінам, фактычна з'яўляючыся фермионом. У залежнасці ад колеру (пра гэта ніжэй) зарад кварка можа быць роўны траціны або дзвюма трэцямі ад зарада пратона. Што тычыцца кветак, то іх налічваецца шэсць (пакалення кваркаў). Патрэбныя яны для таго, каб не парушаўся прынцып Паўлі.

асноўныя звесткі

У складзе адронаў дадзеныя часціцы знаходзяцца на адлегласці не больш за значэнне канфайнмента. Тлумачыцца гэта проста: яны абменьваюцца вектарамі калібравальнага поля, то ёсць глюонную. Чаму так важны кварк? Глюонная плазма (насычаная кваркаў) - гэта стан рэчыва, у якім знаходзілася ўсё сусвет адразу пасля вялікага выбуху. Адпаведна, існаванне кваркаў і глюёнаў - прамое пацверджанне таго, што ён сапраўды быў.

Яны таксама маюць свой колер, а таму ў час руху ствараюць свае віртуальныя копіі. Адпаведна, пры павелічэнні адлегласці паміж кваркаў сіла ўзаемадзеяння паміж імі значна павялічваецца. Як можна здагадацца, пры мінімальным адлегласці ўзаемадзеянне практычна знікае (асімптатычна свабода).

Такім чынам, любое моцнае ўзаемадзеянне ў адроннага тлумачыцца пераходам глюёнаў паміж кваркаў. Калі ж казаць пра ўзаемадзеянні паміж адроннага, то яны тлумачацца перадачай пі-мезоннага рэзанансу. Прасцей кажучы, ўскосна ўсе зноў-такі зводзіцца да абмену глюонную.

Колькі кваркаў ўваходзіць у склад нуклонов?

Кожны нейтрон складаецца з пары d-кваркаў, а таже адзінага u-кварка. Кожны пратон, наадварот, - з адзінага d-кварка і пары u-кваркаў. Дарэчы кажучы, літары ставяцца ў залежнасці ад квантавых лікаў.

Растлумачым. Да прыкладу, бэта-распад тлумачыцца як раз ткі ператварэннем аднаго з аднатыпных кваркаў у складзе нуклонов ў іншы. Каб было лепш зразумела, у выглядзе формулы гэты працэс можна запісаць вось так: d = u + w (гэта нейтронная распад). Адпаведна, пратонны запісваецца некалькі іншы формулай: u = d + w.

Дарэчы кажучы, менавіта апошнім працэсам тлумачыцца пастаянны паток нейтрына і пазітронаў з буйных зорных навал. Так што ў маштабах Сусвету мала гэтак важных часціц, які з'яўляецца кварк: глюонная плазма, як мы ўжо і казалі, пацвярджае факт вялікага выбуху, а даследавання гэтых часціц дазваляюць навукоўцам лепш даведацца саму сутнасць таго свету, у якім мы жывем.

Што менш кварка?

Дарэчы, а з чаго складаюцца кварк? Іх складовай часціцай з'яўляюцца преоны. Часціцы гэтыя вельмі малыя і дрэнна вывучаны, так што нават на сённяшні дзень пра іх вядома не вельмі шмат. Вось што менш кварка.

Адкуль яны ўзяліся?

На сённяшні дзень найбольш распаўсюджаны дзве гіпотэзы фарміравання преонов: тэорыя струн і тэорыя Бильсона-Томпсана. У першым выпадку ўзнікненне дадзеных часціц тлумачыцца асцыляцый струн. Другая гіпотэза мяркуе, што іх з'яўленне выклікана распачатай станам прасторы і часу.

Цікава, што ў другім выпадку з'ява цалкам можна апісаць, карыстаючыся матрыцай паралельнага пераносу ўздоўж крывых спінавай сеткі. Ўласцівасці гэтай самай матрыцы і прадвызначаюць такія для преона. Вось з чаго складаюцца кварк.

Падводзячы некаторыя вынікі, можна сказаць, што кварк - своеасаблівыя «кванты» у складзе адронаў. Ўражаныя? А зараз мы пагаворым пра тое, як наогул быў адкрыты кварк. Гэта вельмі займальная гісторыя, якая, да ўсяго іншага, паўней раскрывае некаторыя нюансы, апісаныя вышэй.

дзіўныя часціцы

Адразу пасля заканчэння Другой Сусветнай навукоўцы пачалі актыўна даследаваць свет субатомных часціц, які да таго часу здаваўся цяпер прымітыўнага проста (па тых уяўленнях). Пратоны, нейтроны (нуклоны) і электроны ўтваралі атам. У 1947 годзе былі адкрыты півоні (а прадказалі іх існаванне яшчэ ў 1935 году), якія адказвалі за ўзаемнае прыцягненне нуклонов ў ядры атамаў. Гэтай падзеі ў свой час была прысвечана не адна навуковая выстава. Кварк яшчэ не былі адкрыты, але момант нападу на іх «след» быў усё бліжэй.

Нейтрына да таго часу адкрыты яшчэ не былі. Але іх відавочная важнасць для тлумачэння бэта-распадаў атамаў была настолькі вялікая, што навукоўцы практычна не сумняваліся ў іх існаванні. Акрамя таго, ужо паспелі выявіць або прадказаць некаторыя антычасцінка. Заставалася смутная толькі сітуацыя з Мюоны, якія ўтвараліся пры распадзе півонь і ў далейшым пераходзілі ў стан нейтрына, электрона або пазітронна. Фізікі не разумелі, для чаго наогул патрэбна гэтая прамежкавая станцыя.

На жаль, але гэтак простая і непатрабавальная мадэль зусім ненадоўга перажыла момант адкрыцця півонь. У 1947 годзе два ангельскіх фізіка, Джордж Рочэстэр і Кліфард Батлер, апублікавалі адну цікавую артыкул у навуковым часопісе Nature. Матэрыялам для яе паслужыла іх даследаванне касмічных прамянёў з дапамогай камеры Вільсана, падчас якога яны атрымалі надзвычай цікавыя звесткі. На адной з фатаграфій, знятых у працэсе назірання, была выразна бачная пара трэкаў з агульным пачаткам. Так як разыходжанне нагадвала лацінскую V, то адразу стала ясна - зарад у гэтых часціц вызначана розны.

Навукоўцы адразу выказалі здагадку, што гэтыя трэкі паказваюць на факт распаду нейкай невядомай часціцы, якая не пакінула пасля сябе іншых слядоў. Разлікі паказалі, што яе маса - каля 500 МЭВ, што нашмат больш гэтага значэння для электрона. Зразумела, даследчыкі назвалі сваё адкрыццё V-часціцай. Зрэшты, гэта быў яшчэ не кварк. Часціца гэтая яшчэ чакала свайго часу.

Усё толькі пачынаецца

З гэтага адкрыцця усё і пачалося. У 1949 годзе ў такіх жа ўмовах быў знойдзены след часціцы, якая дала пачатак адразу тром півонь. Неўзабаве высветлілася, што яна, роўна як і V-часціца - зусім розныя прадстаўнікі сямейства, які складаецца з чатырох часціц. Пасля іх назвалі К-мезоны (каоны).

Пара зараджаных каонов маюць масу 494 МЭВ, а ў выпадку з нейтральным зарадам - 498 МЭВ. Дарэчы кажучы, у 1947 годзе навукоўцы пашчасціла захаваць як раз ткі вельмі рэдкі выпадак распаду станоўчага каона, але ў той час яны проста не змаглі правільна інтэрпрэтаваць здымак. Зрэшты, калі быць да канца справядлівымі, то наогул-то першае назіранне каона было зроблена яшчэ ў далёкім 1943 годзе, але інфармацыя пра гэта ледзь не згубілася на фоне шматлікіх пасляваенных навуковых публікацый.

новыя дзівацтвы

А далей навукоўцаў чакала яшчэ больш адкрыццяў. У 1950 і 1951 гадах даследчыкі з Манчэстэрскага і Мельнбурского універсітэтаў здолелі адшукаць часціцы, нашмат цяжэй пратонаў і нейтронаў. Яна зноў не мела ніякага зарада, але распадалася на пратон і півоня. Апошні, як можна зразумець, меў адмоўны зарад. Новую часціцу пазначылі літарай Λ (лямбда).

Чым больш праходзіла часу, тым больш з'яўлялася пытанняў у навукоўцаў. Праблема была ў тым, што новыя часціцы ўзнікалі выключна пры моцных атамных узаемадзеяннях, хутка распадаючыся на вядомыя пратоны і нейтроны. Акрамя таго, яны заўсёды з'яўляліся парамі, адзіночных праяваў не было ніколі. А таму група фізікаў з ЗША і Японіі прапанавала выкарыстоўваць у іх апісанні новае квантавы лік - дзівацтва. Згодна з іх азначэнні, дзівацтва ўсіх іншых вядомых часціц была роўная нулю.

далейшыя пошукі

Прарыў у пошуках здарыўся толькі пасля ўзнікнення новай сістэматызацыі адронаў. Бачныя фігурай у гэтым стаў ізраільцянін Юваль Неэман, які памяняў кар'еру выбітнага ваеннага на гэтак жа бліскучы шлях вучонага.

Ён звярнуў увагу, што адкрытыя да таго часу мезоны і барионы распадаюцца, утвараючы навала роднасных часціц, мультиплеты. Члены кожнага такога аб'яднання валодаюць цалкам аднолькавай вельмі дзіўную асаблівасць, але супрацьлеглымі электрычнымі зарадамі. Бо сапраўды моцныя ядзерныя ўзаемадзеяння ад электрычных зарадаў не залежаць зусім, ва ўсім іншым часціцы з мультиплета выглядаюць дасканалымі блізнятамі.

Навукоўцы выказалі здагадку, што за ўзнікненне падобных утварэнняў адказвае нейкая прыродная сіметрыя, і неўзабаве ім атрымалася яе адшукаць. Яна апынулася простым абагульненнем спінавай групы SU (2), якой навукоўцы ўсяго свету карысталіся для апісання квантавых лікаў. Вось толькі да таго часу было вядома ўжо 23 адроннага, прычым іх спіны былі роўныя 0, ½ або цэлай адзінцы, а таму карыстацца такой класіфікацыяй не ўяўлялася магчымым.

У выніку прыйшлося выкарыстоўваць для класіфікацыі адразу два квантавых колькасці, за кошт чаго класіфікацыя значна пашырылася. Так і з'явілася група SU (3), якую яшчэ ў пачатку стагоддзя стварыў французскі матэматык Элі Картал. Каб вызначыць сістэматычнае становішча ў ёй кожнай часціцы, навукоўцамі была распрацавана даследчая праграма. Кварк пасля лёгка ўвайшоў у сістэматычны шэраг, што пацвердзіла абсалютную правату спецыялістаў.

Новыя квантавыя колькасці

Так навукоўцы падышлі да ідэі выкарыстання абстрактных квантавых лікаў, якімі сталі гиперзаряд і изотопический спін. Зрэшты, з тым жа поспехам можна браць дзівацтва і электрычны зарад. Дадзеная схема была ўмоўна названая васьмярковай Шляхам. У гэтым улоўліваецца аналогія з будызмам, дзе да дасягнення нірваны таксама трэба прайсці восем узроўняў. Зрэшты, усё гэта лірыка.

Свае працы Неэман і яго калега, Гела-Ман, надрукавалі ў 1961 годзе, а колькасць вядомых тады мезонаў была менш за сямі. Але ў сваіх працах даследчыкі не пабаяліся згадаць аб высокай верагоднасці існавання восьмага мезоны. У тым жа 1961 годзе іх тэорыя з бляскам пацвердзілася. Знойдзеную часціцу назвалі гэтая-мезоны (грэцкая літара η).

Далейшыя знаходкі і эксперыменты з бляскам пацвердзілі абсалютную правільнасць класіфікацыі SU (3). Гэтая акалічнасць стала магутным стымулам для даследчыкаў, якія выявілі, што стаяць на дакладным шляху. Нават сам Гела-Ман ўжо не сумняваўся ў тым, што ў прыродзе існуюць кварк. Водгукі аб яго тэорыі былі не занадта станоўчымі, але навуковец быў упэўнены ў сваёй праваце.

Вось і кварк!

Неўзабаве выйшаў артыкул «схематычны мадэль барионов і мезоннага». У ёй навукоўцы змаглі далей развіць ідэю сістэматызацыі, якая апынулася настолькі карыснай. Яны высветлілі, што SU (3) цалкам дапускае існаванне цэлых трыплет фермионов, электрычны зарад якіх вагаецца ад 2/3 да 1/3 і -1/3, прычым у трыплет адна часціца заўсёды адрозніваецца ненулявое вельмі дзіўную асаблівасць. Ужо даволі вядомы нам Гела-Ман назваў іх «элементарныя часціцы кварк».

Згодна з зарадам, ён пазначыў іх як u, d і s (ад ангельскіх слоў up, down і strange). У адпаведнасці з новай схемай, кожны барион утвораны адразу трыма кваркаў. Мезоны ўладкованыя куды прасцей. У іх склад уваходзіць адзін кварк (гэта правіла непарушна) і антикварк. Толькі пасля гэтага ў навуковай супольнасці стала вядома пра існаванне гэтых часціц, якім і прысвечана наша артыкул.

Яшчэ трохі перадгісторыі

Гэты артыкул, якая шмат у чым прадвызначыла развіццё фізікі на гады наперад, мае даволі цікавую перадгісторыю. Гела-Ман думаў пра існаванне такога роду трыплет задоўга да яе публікацыі, але ні з кім не абмяркоўваў свае здагадкі. Справа ў тым, што яго здагадкі пра існаванне часціц, якія валодаюць дробавым зарадам, выглядалі як трызненне. Аднак пасля размовы з выбітным фізікам-тэарэтыкам Робертам Сербером ён даведаўся, што яго калега зрабіў сапраўды такія ж высновы.

Акрамя таго, вучоны зрабіў адзіна правільны выснову: існаванне падобных часціц магчыма толькі ў тым выпадку, калі яны зьяўляюцца не свабоднымі фермионами, а ўваходзяць у склад адронаў. Бо ў гэтым выпадку іх зарады складаюць адзінае цэлае! Спярша Гела-Ман назваў іх кворками і нават згадаў пра іх у MTI, але рэакцыя студэнтаў і выкладчыкаў была вельмі стрыманай. А таму вучоны вельмі доўга думаў пра тое, ці варта яму выносіць свае даследаванні на суд публікі.

Само слова «кварк» (гэта гук, які нагадвае крык качак) было ўзята з твора Джэймса Джойса. Як ні дзіўна, але амерыканскі вучоны адправіў свой артыкул у прэстыжны еўрапейскі навуковы часопіс Physics Letters, так як усур'ёз баяўся таго, што рэдакцыя аналагічнага па ўзроўні амерыканскага выдання Physical Review Letters не прыме яе ў друк. Дарэчы, калі вы хочаце зірнуць хоць бы на копію таго артыкула - вам прамая дарога ў той жа Берлінскі музей. Кварк ў яго экспазіцыі не маюцца, затое поўная гісторыя іх адкрыцця (дакладней, дакументальныя сведчанні) ёсць.

Пачатак кварковой рэвалюцыі

Дзеля справядлівасці варта адзначыць, што практычна ў той жа час да аналагічнай думкі дайшоў навуковец з Церна, Джордж Цвейг. Спярша яго настаўнікам быў сам Гела-Ман, а затым Рычард Фейнман. Цвейг таксама вызначыў рэальнасць існавання фермионов, якія валодалі дробавымі зарадамі, толькі назваў іх тузами. Больш за тое, таленавіты фізік таксама разглядаў барионы як тройку кваркаў, а мезоны - як камбінацыю кварка і антикварка.

Прасцей кажучы, вучань цалкам паўтарыў высновы свайго настаўніка, прычым цалкам асобна ад яго. Яго праца з'явілася нават на пару тыдняў раней публікацыі Манна, але толькі ў якасці «хатняй нарыхтоўкі» інстытута. Зрэшты, менавіта наяўнасць двух незалежных работ, высновы па якіх былі практычна ідэнтычнымі, адразу пераканала некаторых навукоўцаў у вернасці прапанаванай тэорыі.

Ад непрымання да даверу

Але многія даследчыкі прынялі гэтую тэорыю далёка не адразу. Так, журналісты і тэарэтыкі хутка палюбілі яе за нагляднасць і прастату, але сур'ёзныя фізікі прынялі яе толькі праз цэлых 12 гадоў. Не варта папракаць іх у залішнім кансерватызме. Справа ў тым, што першапачаткова тэорыя кваркаў рэзка супярэчыла прынцыпу Паўлі, пра які мы згадвалі ў самым пачатку артыкула. Калі выказаць здагадку, што ў пратон змяшчаецца пара u-кваркаў і адзіны d-кварк, то першыя павінны знаходзіцца строга ў адным і тым жа квантавым стане. Паводле ж Паўлі, такое немагчыма.

Вось тады-то і з'явілася дадатковае квантавы лік, выказанае ў выглядзе колеру (пра што мы таксама згадвалі вышэй). Акрамя таго, было зусім незразумела, як наогул элементарныя часціцы кварк ўзаемадзейнічаюць адзін з адным, чаму не сустракаюцца іх вольныя разнавіднасці. Усе гэтыя таямніцы моцна дапамагла разгадаць Тэорыя калібровачнае палёў, якую «давялі да розуму» толькі ў сярэдзіне 70-х гадоў. Прыкладна ў той жа час кварковую тэорыю адронаў арганічна ўключылі ў яе.

Але мацней за ўсё стрымлівала развіццё тэорыі поўная адсутнасць хоць якіх-то эксперыментальных досведаў, якія б пацвярджалі як само існаванне, так і ўзаемадзеянне кваркаў паміж сабой і з іншымі часціцамі. А яны паступова пачалі з'яўляцца толькі з канца 60-х гадоў, калі хуткае развіццё тэхналогій дазволіла правесці досвед з «прасвечвання» пратонаў электроннымі патокамі. Менавіта гэтыя досведы дазволілі даказаць, што ўнутры пратонаў сапраўды «хаваюцца» нейкія часціцы, якія першапачаткова назвалі Партон. Пасля ўсё ж пераканаліся, што гэта не што іншае, як праўдзівы кварк, але гэта адбылося толькі ў канцы 1972 году.

эксперыментальнае пацверджанне

Зразумела, для канчатковага перакананні навуковай грамадскасці спатрэбілася нашмат больш эксперыментальных дадзеных. У 1964 году Джэймс Бьёркен і Шэлдан Глэшоу (будучы лаўрэат Нобелеўскай прэміі, дарэчы) зрабілі здагадку, быццам бы можа існаваць яшчэ і чацвёртая разнавіднасць кварка, якую яны назвалі зачараванай (charmed).

Менавіта дзякуючы гэтай гіпотэзе навукоўцы ўжо ў 1970 годзе змаглі патлумачыць шматлікія дзівацтвы, якія назіраліся пры распадзе нейтральна зараджаных каонов. Праз чатыры гады адразу дзве незалежных групы амерыканскіх фізікаў здолелі зафіксаваць распад мезоны, у склад якога ўваходзіў як раз адзін «зачараваны» кварк, а таксама яго антикварк. Нядзіўна, што гэта падзея адразу ахрысцілі лістападаўскага Рэвалюцыяй. Упершыню тэорыя кваркаў атрымала больш-менш «нагляднае» пацверджанне.

Пра важнасць адкрыцця сведчыць хаця б той факт, што кіраўнікі праекта, Сэмюэль Тинг і Бартон Рыхтэр, ужо праз два гады прымалі сваю Нобелеўскую прэмію: гэта падзея адлюстравана ў шматлікіх артыкулах. З некаторымі з іх вы зможаце азнаёміцца ў арыгінале, калі наведаеце Нью-Йоркскі Прыродазнаўчы музей. Кварк, як мы ўжо і казалі, - вельмі важнае адкрыццё сучаснасці, а таму і ўвагі ў навуковым асяроддзі ім надаецца вельмі шмат.

Апошні довад

Толькі ў 1976 годзе даследчыкі ўсё ж знайшлі адну часцінку з ненулявое зачараваннем, нейтральны D-мезоннага. Гэта досыць складаная камбінацыя з аднаго зачараваць кварка і u-антикварка. Тут нават закаранелыя праціўнікі існавання кваркаў вымушаныя былі прызнаць правату тэорыі, упершыню выкладзенай больш за два дзесяткі гадоў таму назад. Адзін з самых вядомых фізікаў-тэарэтыкаў, Джон Эліс, назваў зачараванне «рычагом, што пераварочвалі свет».

Неўзабаве ў пералік новых адкрыццяў ўвайшла і пара асабліва масіўных кваркаў, top і bottom, якія без працы атрымалася суаднесці з ужо прынятай на той час сістэматызацыяй SU (3). У апошнія гады навукоўцы кажуць пра тое, што існуюць так званыя тетракварки, якія некаторыя навукоўцы ўжо паспелі ахрысціць «адроннага малекуламі».

Некаторыя высновы і высновы

Трэба разумець, што адкрыццё і навуковае абгрунтаванне існавання кваркаў і на самай справе можна смела лічыць навуковай рэвалюцыяй. Пачаткам яе можна лічыць 1947 гг (у прынцыпе, 1943), а канец яе прыпадае на выяўленне першага «зачараваць» мезоны. Атрымліваецца, што працягласць апошняга на сённяшні дзень адкрыцця такога ўзроўню складае, ні многа ні мала, цэлых 29 гадоў (або нават 32 гады)! І ўвесь гэты час было выдаткавана не толькі дзеля таго, каб адшукаць кварк! Глюонная плазма як першасны аб'ект ў Сусвеце неўзабаве прыцягнула куды большую ўвагу навукоўцаў.

Зрэшты, чым складаней становіцца вобласць вывучэння, тым больш часу патрабуецца для здзяйснення сапраўды важных адкрыццяў. А што тычыцца абмяркоўваюцца намі часціц, то важнасць такога адкрыцця не зможа недаацэньваць ніхто. Вывучаючы будынак кваркаў, чалавек зможа глыбей пракрасціся ў таямніцы светабудовы. Магчыма, што толькі пасля поўнага іх даследавання мы зможам даведацца, як адбываўся вялікі выбух і па якіх законах развіваецца наша Сусвет. Ва ўсякім выпадку менавіта іх адкрыццё дазволіла пераканаць шматлікіх фізікаў у тым, што навакольнае нас рэчаіснасць куды складаней былых уяўленняў.

Вось вы і даведаліся, што такое кварк. Часціца гэтая ў свой час нарабіла шмат шуму ў навуковым свеце, ды і сёння даследчыкі поўныя надзей канчаткова раскрыць усе яе таямніцы.

Similar articles

 

 

 

 

Trending Now

 

 

 

 

Newest

Copyright © 2018 be.unansea.com. Theme powered by WordPress.