Csak egy éve Peter Higgs és François Engler Nobel-díjat kapott a szubatomi részecskékkel kapcsolatos munkájukért. Lehet, hogy nevetségesnek tűnik, de a tudósok fél évszázaddal ezelőtt tették felfedezéseiket, de mindeddig nem tulajdonítottak nekik nagy jelentőséget.
1964-ben két tehetségesebb fizikus is előállt innovatív elméletével. Eleinte szinte egyáltalán nem vonta magára a figyelmet. Ez furcsa, hiszen leírta a hadronok szerkezetét, amely nélkül nem lehetséges erős interatomikus kölcsönhatás. Ez volt a kvark elmélet.
Mi ez?
Apropó, mi az a kvark? Ez a hadron egyik legfontosabb alkotóeleme. Fontos! Ennek a részecskének van egy "fél" spinje, valójában egy fermion. A színtől függően (erről bővebben lentebb) a kvark töltése a proton töltésének egyharmada vagy kétharmada lehet. Ami a színeket illeti, hat van belőlük (a kvarkok generációi). Azért van rájuk szükség, hogy a Pauli-elv ne sérüljön.
Alaprészletek
A hadronok összetételében ezek a részecskék a bezárási értéket meg nem haladó távolságban helyezkednek el. Ezt egyszerűen magyarázzák: kicserélik a mérőmező vektorait, vagyis a gluonokat. Miért olyan fontos a kvark? A (kvarkokkal telített) gluonplazma az az anyagállapot, amelyben az egész univerzum közvetlenül az ősrobbanás után elhelyezkedett. Ennek megfelelően a kvarkok és gluonok létezése közvetlen megerősítése annak, hogy valóban ő volt.
Nekik is megvan a saját színük, ezért a mozgás során elkészítik virtuális másolataikat. Ennek megfelelően a kvarkok közötti távolság növekedésével a köztük lévő kölcsönhatás ereje jelentősen megnő. Ahogy sejthető, minimális távolságnál az interakció gyakorlatilag megszűnik (aszimptotikus szabadság).
Így minden erős kölcsönhatás a hadronokban a gluonok kvarkok közötti átmenetével magyarázható. Ha hadronok közötti kölcsönhatásokról beszélünk, akkor ezeket a pi-mezon rezonancia átadásával magyarázzák. Egyszerűen fogalmazva, közvetve minden megint a gluonok cseréjére vezethető vissza.
Hány kvark van a nukleonokban?
Minden neutron egy pár d-kvarkból, sőt egyetlen u-kvarkból áll. Ezzel szemben minden proton egyetlen d-kvarkból és egy pár u-kvarkból áll. A betűk egyébként a kvantumszámok függvényében vannak hozzárendelve.
Magyarázzuk. Például a béta-bomlás pontosan azzal magyarázható, hogy a nukleon összetételében lévő azonos típusú kvarkok egyike egy másikká alakul át. Az érthetőség kedvéért ezt a folyamatot felírhatjuk egy képletként a következőképpen: d=u + w (ez a neutronbomlás). Illetőleg,A protont egy kicsit más képlet írja le: u=d + w.
Mellesleg ez utóbbi folyamat magyarázza a neutrínók és pozitronok állandó áramlását a nagy csillaghalmazokból. Tehát az univerzum léptékében kevés olyan fontos részecske van, mint a kvark: a gluonplazma, mint már említettük, megerősíti az ősrobbanás tényét, és ezeknek a részecskéknek a tanulmányozása lehetővé teszi a tudósok számára, hogy jobban megértsék a kvark lényegét. a világ, amelyben élünk.
Mi kisebb a kvarknál?
Apropó, miből állnak a kvarkok? Alkotó részecskéik preonok. Ezek a részecskék nagyon kicsik és kevéssé érthetők, így még ma sem sokat tudunk róluk. Ez az, ami kisebb, mint egy kvark.
Honnan jöttek?
A preonok kialakulásának eddigi két leggyakoribb hipotézise: a húrelmélet és a Bilson-Thompson elmélet. Az első esetben ezeknek a részecskéknek a megjelenését a húrlengés magyarázza. A második hipotézis azt sugallja, hogy megjelenésüket a tér és az idő gerjesztett állapota okozza.
Érdekes módon a jelenség a második esetben teljes mértékben leírható a spinhálózat görbéi mentén történő párhuzamos átvitel mátrixával. Ennek a mátrixnak a tulajdonságai előre meghatározzák a preon tulajdonságait. Ebből készülnek a kvarkok.
Összefoglalva néhány eredményt, azt mondhatjuk, hogy a kvarkok egyfajta „kvantumok” a hadronok összetételében. Lenyűgözött? És most arról fogunk beszélni, hogyan fedezték fel a kvarkot általában. Ez egy nagyon érdekes történet, amely ráadásul teljes mértékben feltárja a fent leírt árnyalatok egy részét.
Furcsa részecskék
Közvetlenül a második világháború vége után a tudósok elkezdték aktívan felfedezni a szubatomi részecskék világát, amely addig primitíven egyszerűnek tűnt (ezek szerint az elképzelések szerint). A protonok, neutronok (nukleonok) és elektronok atomot alkotnak. 1947-ben felfedezték a pionokat (és létezésüket már 1935-ben jósolták), amelyek felelősek az atommagban lévő nukleonok kölcsönös vonzásáért. Ennek az eseménynek egyszerre több tudományos kiállítást szenteltek. A kvarkokat még nem fedezték fel, de a „nyomuk” elleni támadás pillanata egyre közeledett.
A neutrínókat addigra még nem fedezték fel. De látszólagos jelentőségük az atomok béta-bomlásának magyarázatában olyan nagy volt, hogy a tudósoknak aligha kételkedtek létezésükben. Ezenkívül néhány antirészecskét már észleltek vagy előre jeleztek. Az egyetlen dolog, ami tisztázatlan, az a müonok helyzete volt, amelyek a pionok bomlása során keletkeztek, és ezt követően neutrínó, elektron vagy pozitron állapotba kerültek. A fizikusok egyáltalán nem értették, mire való ez a köztes állomás.
Jaj, egy ilyen egyszerű és szerény modell nem sokáig élte túl a bazsarózsa felfedezésének pillanatát. 1947-ben két angol fizikus, George Rochester és Clifford Butler érdekes cikket közölt a Nature tudományos folyóiratban. Ennek anyaga a kozmikus sugarak tanulmányozása volt egy felhőkamra segítségével, melynek során érdekes információkhoz jutottak. A megfigyelés során készült egyik fényképen jól látható volt egy közös kezdetű nyompár. Mivel az eltérés a latin V-re hasonlított, azonnal világossá vált– ezeknek a részecskéknek a töltése határozottan más.
A tudósok azonnal azt feltételezték, hogy ezek a nyomok egy ismeretlen részecske bomlásának tényét jelzik, amely nem hagyott más nyomokat. A számítások kimutatták, hogy tömege körülbelül 500 MeV, ami sokkal nagyobb, mint egy elektron esetében. A kutatók természetesen V-részecskének nevezték felfedezésüket. Ez azonban még nem volt kvark. Ez a részecske még mindig a szárnyakban várt.
Még csak most kezdődik
Minden ezzel a felfedezéssel kezdődött. 1949-ben, azonos körülmények között, egy részecske nyomát fedezték fel, amelyből egyszerre három pion keletkezett. Hamar kiderült, hogy ő, valamint a V-részecske teljesen más képviselői egy négy részecskéből álló családnak. Ezt követően K-mezonoknak (kaonoknak) hívták őket.
Egy pár töltött kaon tömege 494 MeV, semleges töltés esetén pedig 498 MeV. Egyébként 1947-ben a tudósoknak volt szerencséjük megörökíteni a pozitív kaon bomlásának ugyanazt a nagyon ritka esetét, de akkor egyszerűen nem tudták helyesen értelmezni a képet. Azonban, hogy teljesen igazságosak legyünk, a kaon első megfigyelése 1943-ban történt, de az ezzel kapcsolatos információk szinte elvesztek a háború utáni számos tudományos publikáció hátterében.
Új furcsaság
És akkor további felfedezések vártak a tudósokra. 1950-ben és 1951-ben a Manchesteri és Melnburgi Egyetem kutatóinak sikerült protonoknál és neutronoknál sokkal nehezebb részecskéket találniuk. Ismét nem volt töltése, hanem protonná és pionná bomlott. Ez utóbbi, mint érthető,negatív töltés. Az új részecske a Λ (lambda) nevet kapta.
Minél több idő telt el, annál több kérdés merült fel a tudósokban. A probléma az volt, hogy új részecskék kizárólag erős atomi kölcsönhatásokból keletkeztek, gyorsan bomlanak az ismert protonokká és neutronokká. Ráadásul mindig párban jelentek meg, soha nem voltak egyedi megnyilvánulások. Ezért javasolta egy amerikai és japán fizikus egy új kvantumszám – furcsaság – használatát a leírásában. Meghatározásuk szerint az összes többi ismert részecske furcsasága nulla volt.
További kutatás
A kutatásban az áttörés csak a hadronok új rendszerezésének megjelenése után következett be. Ennek legkiemelkedőbb alakja az izraeli Yuval Neaman volt, aki egy kiváló katona pályafutását egy hasonlóan ragyogó tudós úttá változtatta.
Észrevette, hogy az addigra felfedezett mezonok és barionok elbomlanak, rokon részecskék, multiplettek halmazát alkotva. Mindegyik ilyen társulás tagjai pontosan ugyanazokkal a furcsaságokkal rendelkeznek, de ellentétes elektromos töltésekkel. Mivel az igazán erős nukleáris kölcsönhatás egyáltalán nem függ az elektromos töltésektől, a multiplett részecskéi minden egyéb tekintetben tökéletes ikerpárnak tűnnek.
A tudósok azt sugallták, hogy bizonyos természetes szimmetria felelős az ilyen képződmények megjelenéséért, és hamarosan sikerült megtalálniuk. Kiderült, hogy ez az SU(2) spincsoport egyszerű általánosítása, amelyet a tudósok világszerte használtak a kvantumszámok leírására. Ittcsak addigra már 23 hadron ismert volt, amelyek spinje 0, ½ vagy egész egység volt, ezért nem lehetett ilyen osztályozást használni.
Ebből adódóan az osztályozáshoz egyszerre két kvantumszámot kellett használni, ami miatt az osztályozás jelentősen bővült. Így jelent meg az SU(3) csoport, amelyet a század elején hozott létre Elie Cartan francia matematikus. Az egyes részecskék szisztematikus helyzetének meghatározására a tudósok kutatási programot dolgoztak ki. A kvark ezután könnyen bekerült a szisztematikus sorozatba, ami megerősítette a szakértők abszolút helyességét.
Új kvantumszámok
Tehát a tudósok az absztrakt kvantumszámok használatának ötletével álltak elő, amiből hipertöltés és izotóp-pörgés lett. A furcsaságot és az elektromos töltést azonban ugyanolyan sikerrel lehet venni. Ezt a sémát hagyományosan Nyolcszoros Ösvénynek nevezték. Ez megragadja a buddhizmussal való analógiát, ahol a nirvána elérése előtt nyolc szinten is át kell menni. Mindez azonban dalszöveg.
Neeman és kollégája, Gell-Mann 1961-ben publikálták munkájukat, és az akkor ismert mezonok száma nem haladta meg a hetet. De munkájuk során a kutatók nem féltek megemlíteni a nyolcadik mezon létezésének nagy valószínűségét. Ugyanebben az 1961-ben elméletüket ragyogóan megerősítették. A talált részecskét eta mezonnak (görög η betű) nevezték el.
A fényerővel kapcsolatos további eredmények és kísérletek megerősítették az SU(3) osztályozás abszolút helyességét. Ez a körülmény erőssé váltösztönzés azoknak a kutatóknak, akik úgy találták, hogy jó úton haladnak. Még maga Gell-Mann sem kételkedett abban, hogy kvarkok léteznek a természetben. Az elméletével kapcsolatos vélemények nem voltak túl pozitívak, de a tudós biztos volt benne, hogy igaza van.
Íme a kvarkok
Hamarosan megjelent a "Barionok és mezonok sematikus modellje" című cikk. Ebben a tudósok tovább tudták fejleszteni a rendszerezés ötletét, amely nagyon hasznosnak bizonyult. Azt találták, hogy az SU(3) meglehetősen lehetővé teszi a fermionok teljes hármasainak létezését, amelyek elektromos töltése 2/3 és 1/3 és -1/3 között van, és a hármasban az egyik részecske mindig nullától eltérő furcsasággal rendelkezik. A nálunk már jól ismert Gell-Mann „kvark elemi részecskéknek” nevezte őket.
A vádak szerint u, d és s betűkkel jelölte őket (az angol fel, le és furcsa szavakból). Az új séma szerint minden bariont egyszerre három kvark alkot. A mezonok sokkal egyszerűbbek. Ezek közé tartozik egy kvark (ez a szabály megingathatatlan) és egy antikvark. A tudományos közösség csak ezután szerzett tudomást e részecskék létezéséről, amelyeknek cikkünket szenteljük.
Egy kicsit több háttér
Ennek a cikknek, amely nagymértékben meghatározta a fizika fejlődését az elkövetkező években, meglehetősen érdekes háttere van. Gell-Mann már jóval a megjelenés előtt gondolkodott az ilyen típusú hármasikrek létezésén, de feltételezéseit nem beszélte meg senkivel. A tény az, hogy a tört töltésű részecskék létezésére vonatkozó feltételezései ostobaságnak tűntek. Miután azonban beszélt a kiváló elméleti fizikussal, Robert Serberrel, megtudta, hogy kollégájapontosan ugyanezekre a következtetésekre jutott.
Emellett a tudós levonta az egyetlen helyes következtetést: az ilyen részecskék létezése csak akkor lehetséges, ha nem szabad fermionok, hanem a hadronok részei. Valóban, ebben az esetben a töltéseik egyetlen egészet alkotnak! Gell-Mann eleinte kvarkoknak nevezte őket, sőt az MTI-ben is emlegette őket, de a diákok és a tanárok reakciója nagyon visszafogott volt. Ezért a tudós nagyon sokáig gondolkodott azon, hogy a nyilvánosság elé tárja-e kutatásait.
A „quark” szó (a kacsák kiáltására emlékeztető hang) James Joyce művéből származik. Furcsa módon az amerikai tudós elküldte cikkét a tekintélyes európai tudományos folyóiratba, a Physics Letters-be, mivel komolyan tartott attól, hogy a Physical Review Letters hasonló színvonalú amerikai kiadásának szerkesztői nem fogadják el publikálásra. Mellesleg, ha meg akarja nézni a cikk egy példányát, akkor közvetlen útja van ugyanabba a Berlini Múzeumba. Kifejezésében nincsenek kvarkok, de felfedezésük teljes története (pontosabban okirati bizonyíték) van.
A kvark forradalom kezdete
Az igazság kedvéért meg kell jegyezni, hogy szinte ugyanebben az időben George Zweig, a CERN tudósa is hasonló ötletre jutott. Először maga Gell-Mann volt a mentora, majd Richard Feynman. Zweig meghatározta a törttöltésű fermionok létezésének valóságát is, csak ászoknak nevezték őket. Sőt, a tehetséges fizikus a barionokat kvarkhármasnak, a mezonokat pedig kvarkok kombinációjának tekintette.és antikvark.
Egyszerűen fogalmazva, a diák teljesen megismételte tanára következtetéseit, és teljesen elkülönült tőle. Munkája még pár héttel Mann megjelenése előtt is megjelent, de csak az intézet „házi készítésű” alkotásaként. Azonban két független munka jelenléte, amelyek következtetései csaknem azonosak voltak, néhány tudóst azonnal meggyőzött a javasolt elmélet helyességéről.
Az elutasítástól a bizalomig
De sok kutató korántsem fogadta el ezt az elméletet azonnal. Igen, az újságírók és a teoretikusok gyorsan beleszerettek az áttekinthetősége és egyszerűsége miatt, de a komoly fizikusok csak 12 év után fogadták el. Ne hibáztasd őket, mert túl konzervatívak. A helyzet az, hogy kezdetben a kvarkok elmélete élesen ellentmondott a Pauli-elvnek, amelyet a cikk elején említettünk. Ha feltételezzük, hogy egy proton egy pár u-kvarkot és egyetlen d-kvarkot tartalmaz, akkor az előbbinek szigorúan ugyanabban a kvantumállapotban kell lennie. Pauli szerint ez lehetetlen.
Ekkor jelent meg egy további kvantumszám, színben kifejezve (amit fentebb is említettünk). Emellett teljesen érthetetlen volt, hogy a kvarkok elemi részecskéi általában hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással, miért nem fordulnak elő szabad fajtáik. Mindezen titkok feltárását nagyban segítette a mérőmezők elmélete, amely csak a 70-es évek közepén „jutott az eszünkbe”. Körülbelül ugyanebben az időben szervesen beépült benne a hadronok kvarkelmélete is.
De leginkább az elmélet kidolgozását hátráltatta, hogy legalább néhány kísérleti kísérlet teljes hiánya volt,amely megerősítené a kvarkok létezését és kölcsönhatását egymással és más részecskékkel. És fokozatosan csak a 60-as évek végétől kezdtek megjelenni, amikor a technológia gyors fejlődése lehetővé tette a protonok elektronáramokkal történő "átvitelével" kapcsolatos kísérlet elvégzését. Ezek a kísérletek tették lehetővé annak bizonyítását, hogy bizonyos részecskék valóban „bújtak” a protonok belsejében, amelyeket eredetileg partonoknak hívtak. Később azonban meg voltak győződve arról, hogy ez nem más, mint egy igazi kvark, de ez csak 1972 végén történt.
Kísérleti megerősítés
Természetesen sokkal több kísérleti adatra volt szükség ahhoz, hogy végre meggyőzzék a tudományos közösséget. 1964-ben James Bjorken és Sheldon Glashow (egyébként a leendő Nobel-díjas) felvetette, hogy létezhet egy negyedik fajta kvark is, amelyet elbűvölőnek neveztek.
Ennek a hipotézisnek köszönhető, hogy a tudósok már 1970-ben meg tudták magyarázni a semleges töltésű kaonok bomlása során megfigyelt számos furcsaságot. Négy évvel később az amerikai fizikusok két független csoportjának egyszerre sikerült megjavítania a mezon bomlását, amely csak egy "elvarázsolt" kvarkot tartalmazott, valamint annak antikvarkját. Nem meglepő, hogy ezt az eseményt azonnal novemberi forradalomnak nevezték el. A kvarkok elmélete először kapott többé-kevésbé „vizuális” megerősítést.
A felfedezés fontosságát bizonyítja, hogy a projekt vezetői, Samuel Ting és Barton Richter már túl vannakkét évre átvették Nobel-díjukat: ez az esemény számos cikkben tükröződik. Némelyiket eredetiben láthatja, ha ellátogat a New York-i Természettudományi Múzeumba. A kvarkok, mint már említettük, korunk rendkívül fontos felfedezései, ezért a tudományos közösség nagy figyelmet szentel rájuk.
Végső érv
Csak 1976-ban találtak a kutatók egy olyan részecskét, amely nem nulla bájjal rendelkezik, a semleges D-mezont. Ez egy elbűvölő kvark és egy u-antikvark meglehetősen összetett kombinációja. Itt még a kvarkok létezésének megkeményedett ellenzői is kénytelenek voltak beismerni a több mint két évtizeddel ezelőtt megfogalmazott elmélet helyességét. Az egyik leghíresebb elméleti fizikus, John Ellis a bájt „a világot megfordító karnak” nevezte.
Hamarosan az új felfedezések listáján szerepelt egy pár különösen masszív kvark, felül és alul, amelyek könnyen összefüggésbe hozhatók az akkor már elfogadott SU(3) rendszerezéssel. Az elmúlt években a tudósok az úgynevezett tetrakvarkok létezéséről beszéltek, amelyeket egyes tudósok már "hadron molekuláknak" nevezettek.
Néhány következtetés és következtetés
Meg kell értened, hogy a kvarkok felfedezése és létezésének tudományos igazolása valóban biztonságosan tekinthető tudományos forradalomnak. Kezdetének az 1947-es (elvileg 1943-as) évet tekinthetjük, vége pedig az első „elvarázsolt” mezon felfedezésére esik. Kiderült, hogy az eddigi utolsó ilyen szintű felfedezés időtartama nem kevesebb, mint 29 év (vagy akár 32 év)! És mindeztnem csak a kvark megtalálására fordítottak időt! Az univerzum őstárgyaként a gluonplazma hamarosan sokkal nagyobb figyelmet kapott a tudósok körében.
Azonban minél összetettebbé válik a tanulmányi terület, annál több időbe telik az igazán fontos felfedezések. Ami az általunk tárgy alt részecskéket illeti, senki sem becsülheti alá egy ilyen felfedezés fontosságát. A kvarkok szerkezetének tanulmányozásával az ember mélyebben behatolhat az univerzum titkaiba. Lehetséges, hogy csak ezek teljes tanulmányozása után tudjuk megtudni, hogyan történt az ősrobbanás, és milyen törvények szerint fejlődik Univerzumunk. Mindenesetre az ő felfedezésük tette lehetővé, hogy sok fizikust meggyőzzenek arról, hogy a minket körülvevő valóság sokkal bonyolultabb, mint a korábbi elképzelések.
Tehát megtanultad, mi a kvark. Ez a részecske egykor nagy zajt keltett a tudományos világban, és ma a kutatók tele vannak reményekkel, hogy végre felfedjék minden titkát.
