Prije samo godinu dana, Peter Higgs i François Engler dobili su Nobelovu nagradu za svoj rad na subatomskim česticama. Možda izgleda smešno, ali naučnici su svoja otkrića došli pre pola veka, ali do sada im se nije pridavao veliki značaj.
1964. godine, još dva talentovana fizičara su se također oglasila sa svojom inovativnom teorijom. U početku takođe nije privlačila gotovo nikakvu pažnju. Ovo je čudno, budući da je opisala strukturu hadrona, bez kojih nije moguća jaka međuatomska interakcija. To je bila teorija kvarkova.
Šta je ovo?
Usput, šta je kvark? Ovo je jedna od najvažnijih komponenti hadrona. Bitan! Ova čestica ima "pola" spin, u stvari je fermion. Ovisno o boji (više o tome u nastavku), naboj kvarka može biti jednak jednoj trećini ili dvije trećine naboja protona. Što se tiče boja, ima ih šest (generacije kvarkova). Oni su potrebni da se Paulijev princip ne bi prekršio.
Basicdetalji
U sastavu hadrona, ove čestice se nalaze na udaljenosti koja ne prelazi vrijednost ograničenja. To se jednostavno objašnjava: oni razmjenjuju vektore mjernog polja, odnosno gluone. Zašto je kvark toliko važan? Gluonska plazma (zasićena kvarkovima) je stanje materije u kojem se nalazio cijeli svemir neposredno nakon velikog praska. Shodno tome, postojanje kvarkova i gluona je direktna potvrda da je to zaista bio.
Imaju i svoju boju, pa stoga tokom kretanja kreiraju svoje virtuelne kopije. Shodno tome, kako se rastojanje između kvarkova povećava, sila interakcije između njih značajno raste. Kao što možete pretpostaviti, na minimalnoj udaljenosti interakcija praktično nestaje (asimptotska sloboda).
Dakle, svaka jaka interakcija u adronima se objašnjava tranzicijom gluona između kvarkova. Ako govorimo o interakcijama između hadrona, onda se one objašnjavaju prijenosom pi-mezonske rezonancije. Jednostavno rečeno, indirektno, sve se opet svodi na razmjenu gluona.
Koliko je kvarkova u nukleonima?
Svaki neutron se sastoji od para d-kvarkova, pa čak i od jednog u-kvarka. Svaki proton, naprotiv, sastoji se od jednog d-kvarka i para u-kvarka. Inače, slova se dodeljuju u zavisnosti od kvantnih brojeva.
Hajde da objasnimo. Na primjer, beta raspad se objašnjava upravo transformacijom jednog istog tipa kvarkova u sastavu nukleona u drugi. Da bi bilo jasnije, ovaj proces se može napisati kao formula ovako: d=u + w (ovo je raspad neutrona). odnosnoproton se piše malo drugačijom formulom: u=d + w.
Usput, potonji proces objašnjava konstantan protok neutrina i pozitrona iz velikih zvezdanih jata. Dakle, na skali svemira, malo je čestica važnih od kvarka: gluonska plazma, kao što smo već rekli, potvrđuje činjenicu velikog praska, a proučavanje ovih čestica omogućava naučnicima da bolje razumiju samu suštinu svijet u kojem živimo.
Šta je manje od kvarka?
Usput, od čega se sastoje kvarkovi? Njihove sastavne čestice su preoni. Ove čestice su veoma male i slabo razumljive, tako da se ni danas o njima ne zna mnogo. To je ono što je manje od kvarka.
Odakle su došli?
Do danas, najčešće su dvije hipoteze o formiranju preona: teorija struna i Bilson-Thompsonova teorija. U prvom slučaju, pojava ovih čestica se objašnjava oscilacijama strune. Druga hipoteza sugerira da je njihov izgled uzrokovan uzbuđenim stanjem prostora i vremena.
Zanimljivo je da se u drugom slučaju fenomen može u potpunosti opisati korištenjem matrice paralelnog prijenosa duž krivulja spin mreže. Svojstva ove same matrice predodređuju ona za preon. Ovo je ono od čega su kvarkovi napravljeni.
Sumirajući neke rezultate, možemo reći da su kvarkovi neka vrsta "kvanta" u sastavu hadrona. Impresionirani? A sada ćemo govoriti o tome kako je kvark uopće otkriven. Ovo je vrlo zanimljiva priča, koja, osim toga, u potpunosti otkriva neke od gore opisanih nijansi.
Čudne čestice
Neposredno po završetku Drugog svetskog rata, naučnici su počeli aktivno da istražuju svet subatomskih čestica, koji je do tada izgledao primitivno jednostavno (prema tim idejama). Protoni, neutroni (nukleoni) i elektroni formiraju atom. Godine 1947. otkriveni su pioni (a njihovo postojanje je predviđeno još 1935. godine), koji su bili odgovorni za međusobno privlačenje nukleona u jezgri atoma. Ovom događaju je istovremeno bilo posvećeno više od jedne naučne izložbe. Kvarkovi još nisu bili otkriveni, ali trenutak napada na njihov "trag" bio je sve bliži.
Neutrini do tada još nisu bili otkriveni. Ali njihova očigledna važnost u objašnjavanju beta raspada atoma bila je toliko velika da naučnici nisu sumnjali u njihovo postojanje. Osim toga, neke antičestice su već otkrivene ili predviđene. Jedino što je ostalo nejasno je situacija sa mionima, koji su nastali tokom raspadanja piona, a potom su prešli u stanje neutrina, elektrona ili pozitrona. Fizičari uopće nisu razumjeli čemu služi ova međustanica.
Jao, ovako jednostavan i nepretenciozan model nije dugo preživio trenutak otkrića božura. Godine 1947. dva engleska fizičara, George Rochester i Clifford Butler, objavili su zanimljiv članak u naučnom časopisu Nature. Materijal za to bilo je njihovo proučavanje kosmičkih zraka pomoću komore u oblaku, tokom kojeg su dobili znatiželjne informacije. Na jednoj od fotografija snimljenih tokom osmatranja jasno je vidljiv par tragova sa zajedničkim početkom. Pošto je neslaganje ličilo na latinski V, odmah je postalo jasno– naboj ovih čestica je definitivno drugačiji.
Naučnici su odmah pretpostavili da ovi tragovi ukazuju na činjenicu raspada neke nepoznate čestice, koja nije ostavila nikakve druge tragove. Proračuni su pokazali da je njegova masa oko 500 MeV, što je mnogo veće od ove vrijednosti za elektron. Naravno, istraživači su svoje otkriće nazvali V-čestica. Međutim, to još nije bio kvark. Ova čestica je još uvijek čekala u krilima.
Upravo je počelo
Sve je počelo ovim otkrićem. 1949. godine, pod istim uslovima, otkriven je trag čestice, koja je dala nastanak tri piona odjednom. Ubrzo je postalo jasno da su ona, kao i V-čestica, potpuno različiti predstavnici porodice koja se sastoji od četiri čestice. Kasnije su nazvani K-mezoni (kaoni).
Par naelektrisanih kaona ima masu od 494 MeV, au slučaju neutralnog naelektrisanja - 498 MeV. Inače, 1947. godine naučnici su imali sreću da shvate upravo isti vrlo rijedak slučaj raspada pozitivnog kaona, ali u to vrijeme jednostavno nisu mogli ispravno protumačiti sliku. Međutim, da budemo potpuno pošteni, u stvari, prvo zapažanje kaona napravljeno je još 1943. godine, ali su informacije o tome gotovo izgubljene u pozadini brojnih poslijeratnih naučnih publikacija.
Nova čudnost
A onda je naučnike čekalo još otkrića. 1950. i 1951. istraživači sa Univerziteta u Mančesteru i Melnburgu uspjeli su pronaći čestice mnogo teže od protona i neutrona. Opet nije imao naboj, već se raspao na proton i pion. Ovo poslednje, kako se može razumeti,negativni naboj. Nova čestica je nazvana Λ (lambda).
Što je više vremena prolazilo, naučnici su imali više pitanja. Problem je bio u tome što su nove čestice nastale isključivo iz jakih atomskih interakcija, brzo se raspadajući na poznate protone i neutrone. Osim toga, uvijek su se pojavljivali u parovima, nikada nije bilo pojedinačnih manifestacija. Zbog toga je grupa fizičara iz SAD-a i Japana predložila korištenje novog kvantnog broja - neobičnosti - u njihovom opisu. Prema njihovoj definiciji, neobičnost svih ostalih poznatih čestica bila je nula.
Dalje istraživanje
Proboj u istraživanju dogodio se tek nakon pojave nove sistematizacije adrona. Najistaknutija ličnost u tome bio je Izraelac Yuval Neaman, koji je karijeru izvanrednog vojnog čovjeka promijenio u jednako briljantan put naučnika.
Primijetio je da se mezoni i barioni otkriveni u to vrijeme raspadaju, formirajući klaster srodnih čestica, multiplete. Članovi svake takve asocijacije imaju potpuno istu neobičnost, ali suprotne električne naboje. Budući da zaista jake nuklearne interakcije uopće ne zavise od električnih naboja, u svim ostalim aspektima čestice iz multipleta izgledaju kao savršeni blizanci.
Naučnici su sugerisali da je za pojavu ovakvih formacija odgovorna neka prirodna simetrija i ubrzo su je uspeli da pronađu. Ispostavilo se da je to jednostavna generalizacija SU(2) spin grupe, koju su naučnici širom svijeta koristili za opisivanje kvantnih brojeva. Evosamo do tada su već bila poznata 23 hadrona, a njihovi spinovi su bili jednaki 0, ½ ili celobrojnoj jedinici, te stoga nije bilo moguće koristiti takvu klasifikaciju.
Kao rezultat toga, za klasifikaciju su se morala koristiti dva kvantna broja odjednom, zbog čega je klasifikacija značajno proširena. Tako je nastala grupa SU(3), koju je početkom veka stvorio francuski matematičar Eli Kartan. Kako bi utvrdili sistematski položaj svake čestice u njemu, naučnici su razvili istraživački program. Kvark je naknadno lako ušao u sistematski niz, što je potvrdilo apsolutnu ispravnost stručnjaka.
Novi kvantni brojevi
Tako su naučnici došli na ideju upotrebe apstraktnih kvantnih brojeva, koji su postali hipernaboj i izotopski spin. Međutim, neobičnost i električni naboj mogu se uzeti s istim uspjehom. Ova šema je konvencionalno nazvana Osmostruki put. Ovo obuhvata analogiju sa budizmom, gde pre nego što dođete do nirvane, takođe morate proći kroz osam nivoa. Međutim, sve su ovo stihovi.
Neeman i njegov kolega Gell-Mann objavili su svoj rad 1961. godine, a broj poznatih mezona nije premašio sedam. Ali u svom radu, istraživači se nisu plašili pomenuti veliku verovatnoću postojanja osmog mezona. Iste 1961. njihova teorija je briljantno potvrđena. Pronađena čestica je nazvana eta meson (grčko slovo η).
Dalji nalazi i eksperimenti sa svjetlinom potvrdili su apsolutnu ispravnost SU(3) klasifikacije. Ova okolnost je postala moćnapoticaj za istraživače koji su otkrili da su na pravom putu. Čak ni sam Gell-Mann više nije sumnjao da kvarkovi postoje u prirodi. Recenzije o njegovoj teoriji nisu bile previše pozitivne, ali je naučnik bio siguran da je bio u pravu.
Evo kvarkova
Ubrzo je objavljen članak "Šematski model bariona i mezona". U njemu su naučnici mogli dalje da razviju ideju sistematizacije, koja se pokazala tako korisnom. Otkrili su da SU(3) sasvim dozvoljava postojanje čitavih tripleta fermiona, čiji se električni naboj kreće od 2/3 do 1/3 i -1/3, a u tripletu jedna čestica uvijek ima nenultu čudnost. Gell-Mann, nama već dobro poznat, nazvao ih je "kvark elementarnim česticama".
Prema optužbama, označio ih je kao u, d i s (od engleskih riječi gore, dolje i čudno). U skladu s novom shemom, svaki barion je formiran od tri kvarka odjednom. Mezoni su mnogo jednostavniji. Oni uključuju jedan kvark (ovo pravilo je nepokolebljivo) i antikvark. Tek nakon toga je naučna zajednica postala svjesna postojanja ovih čestica, čemu je i posvećen naš članak.
Još malo pozadine
Ovaj članak, koji je uvelike predodredio razvoj fizike u godinama koje dolaze, ima prilično zanimljivu pozadinu. Gell-Mann je razmišljao o postojanju ove vrste trojki mnogo prije njenog objavljivanja, ali nije ni sa kim razgovarao o svojim pretpostavkama. Činjenica je da su njegove pretpostavke o postojanju čestica s delimičnim nabojem izgledale kao besmislica. Međutim, nakon razgovora sa eminentnim teoretskim fizičarem Robertom Serberom, saznao je da je njegov kolegadoneo potpuno iste zaključke.
Osim toga, naučnik je izveo jedini ispravan zaključak: postojanje takvih čestica je moguće samo ako nisu slobodni fermioni, već su dio hadrona. Zaista, u ovom slučaju, njihove optužbe čine jedinstvenu cjelinu! U početku ih je Gell-Mann nazivao kvarkovima i čak ih je spominjao u MTI, ali reakcija učenika i nastavnika bila je vrlo suzdržana. Zbog toga je naučnik dugo razmišljao da li da svoje istraživanje iznese javnosti.
Sama riječ "kvark" (zvuk koji podsjeća na krik pataka) preuzeta je iz djela Jamesa Joycea. Čudno, ali američki naučnik poslao je svoj članak prestižnom evropskom naučnom časopisu Physics Letters, jer se ozbiljno bojao da ga urednici američkog izdanja Physical Review Letters, sličnog po nivou, neće prihvatiti za objavljivanje. Inače, ako želite pogledati barem kopiju tog članka, imate direktan put do istog Berlinskog muzeja. U njegovom izlaganju nema kvarkova, ali postoji kompletna istorija njihovog otkrića (tačnije, dokumentarni dokazi).
Početak Quark revolucije
Da budemo pošteni, treba napomenuti da je skoro u isto vrijeme naučnik iz CERN-a, George Zweig, došao na sličnu ideju. Prvo mu je mentor bio sam Gell-Mann, a potom Richard Feynman. Zweig je također utvrdio realnost postojanja fermiona koji su imali frakcijski naboj, samo ih je nazvao asovima. Štaviše, talentovani fizičar je takođe smatrao barione kao trio kvarkova, a mezone kao kombinaciju kvarkova.i antikvark.
Jednostavno rečeno, učenik je u potpunosti ponovio zaključke svog učitelja, i potpuno odvojen od njega. Njegov rad se pojavio čak nekoliko sedmica prije Mannove publikacije, ali samo kao "domaći" rad instituta. Međutim, prisustvo dva nezavisna rada, čiji su zaključci bili gotovo identični, odmah je uvjerilo neke naučnike u ispravnost predložene teorije.
Od odbijanja do povjerenja
Ali mnogi istraživači su prihvatili ovu teoriju daleko od odmah. Da, novinari i teoretičari su ga brzo zavoljeli zbog njegove jasnoće i jednostavnosti, ali ozbiljni fizičari su ga prihvatili tek nakon 12 godina. Ne krivite ih što su previše konzervativni. Činjenica je da je u početku teorija kvarkova oštro proturječila Paulijevom principu, koji smo spomenuli na samom početku članka. Ako pretpostavimo da proton sadrži par u-kvarkova i jedan d-kvark, onda prvi mora biti striktno u istom kvantnom stanju. Prema Pauliju, to je nemoguće.
Tada se pojavio dodatni kvantni broj, izražen kao boja (koju smo također spomenuli gore). Osim toga, bilo je potpuno neshvatljivo kako elementarne čestice kvarkova međusobno djeluju općenito, zašto se njihove slobodne varijante ne pojavljuju. Sve ove tajne uvelike je pomogla da se razotkriju Teorija mjernih polja, koja je „sjetila“tek sredinom 70-ih. Otprilike u isto vrijeme, kvarkovska teorija hadrona je organski uključena u nju.
Ali najviše od svega, razvoj teorije je kočilo potpuno odsustvo barem nekih eksperimentalnih eksperimenata,što bi potvrdilo i samo postojanje i interakciju kvarkova međusobno i sa drugim česticama. I postupno su se počeli pojavljivati tek od kraja 60-ih, kada je brzi razvoj tehnologije omogućio provođenje eksperimenta s "prijenosom" protona strujama elektrona. Upravo su ovi eksperimenti omogućili da se dokaže da su se neke čestice zaista "sakrile" unutar protona, koji su se prvobitno zvali partoni. Kasnije su se ipak uvjerili da to nije ništa drugo do pravi kvark, ali to se dogodilo tek krajem 1972.
Eksperimentalna potvrda
Naravno, bilo je potrebno mnogo više eksperimentalnih podataka da se konačno uvjeri naučna zajednica. Godine 1964. James Bjorken i Sheldon Glashow (usput rečeno budući dobitnik Nobelove nagrade) sugerirali su da bi mogla postojati i četvrta vrsta kvarka, koju su nazvali začaranim.
Upravo zahvaljujući ovoj hipotezi, naučnici su već 1970. godine uspjeli da objasne mnoge neobičnosti koje su uočene tokom raspada neutralno nabijenih kaona. Četiri godine kasnije, dve nezavisne grupe američkih fizičara odjednom su uspele da poprave raspad mezona, koji je uključivao samo jedan "začarani" kvark, kao i njegov antikvark. Nije iznenađujuće da je ovaj događaj odmah nazvan Novembarska revolucija. Po prvi put, teorija kvarkova je dobila manje-više "vizuelnu" potvrdu.
O važnosti otkrića svjedoči činjenica da su vođe projekta, Samuel Ting i Barton Richter, već prošliprimili su svoju Nobelovu nagradu na dvije godine: ovaj događaj se odražava u mnogim člancima. Neke od njih možete vidjeti u originalu ako posjetite njujorški muzej prirodnih znanosti. Kvarkovi su, kao što smo već rekli, izuzetno važno otkriće našeg vremena i stoga im se u naučnoj zajednici posvećuje velika pažnja.
Završni argument
Tek 1976. istraživači su pronašli jednu česticu sa nenultim šarmom, neutralni D-mezon. Ovo je prilično složena kombinacija jednog šarmiranog kvarka i u-antikvarka. Ovdje su čak i okorjeli protivnici postojanja kvarkova bili primorani da priznaju ispravnost teorije, prvi put izrečene prije više od dvije decenije. Jedan od najpoznatijih teorijskih fizičara, John Ellis, nazvao je šarm "polugom koja je okrenula svijet."
Ubrzo je spisak novih otkrića uključivao par posebno masivnih kvarkova, gornji i donji, koji bi se lako mogli povezati sa SU(3) sistematizacijom već prihvaćenom u to vreme. Poslednjih godina naučnici govore o postojanju takozvanih tetrakvarkova, koje su neki naučnici već nazvali "molekuli hadrona".
Neki zaključci i zaključci
Morate shvatiti da se otkriće i naučno opravdanje za postojanje kvarkova zaista može sa sigurnošću smatrati naučnom revolucijom. Kao njen početak može se smatrati 1947. godina (u principu 1943.), a njen kraj pada na otkriće prvog "začaranog" mezona. Ispada da je trajanje posljednjeg otkrića ovog nivoa do danas, ni manje ni više, čak 29 godina (ili čak 32 godine)! I sve ovovrijeme je potrošeno ne samo da bi se pronašao kvark! Kao primordijalni objekat u svemiru, gluonska plazma je ubrzo privukla mnogo više pažnje naučnika.
Međutim, što kompleksnija oblast proučavanja postaje, to je više vremena potrebno da se napravi zaista važna otkrića. Što se tiče čestica o kojima govorimo, niko ne može potcijeniti važnost takvog otkrića. Proučavajući strukturu kvarkova, osoba će moći da prodre dublje u tajne svemira. Moguće je da ćemo tek nakon njihovog potpunog proučavanja moći saznati kako se dogodio veliki prasak i po kojim se zakonima razvija naš Univerzum. U svakom slučaju, upravo je njihovo otkriće omogućilo uvjeravanje mnogih fizičara da je stvarnost koja nas okružuje mnogo složenija od prijašnjih ideja.
Dakle, naučili ste šta je kvark. Ova čestica je svojevremeno napravila veliku buku u naučnom svijetu, a danas su istraživači puni nade da će konačno otkriti sve njene tajne.
