Pred enim letom sta Peter Higgs in François Engler prejela Nobelovo nagrado za svoje delo na subatomskih delcih. Morda se zdi smešno, toda znanstveniki so svoja odkritja naredili pred pol stoletja, a do zdaj jim niso pripisovali velikega pomena.
Leta 1964 sta se s svojo inovativno teorijo oglasila še dva nadarjena fizika. Sprva tudi ni pritegnila skoraj nobene pozornosti. To je čudno, saj je opisala strukturo hadronov, brez katerih ni mogoča močna medatomska interakcija. To je bila teorija kvarkov.
Kaj je to?
Mimogrede, kaj je kvark? To je ena najpomembnejših komponent hadrona. Pomembno! Ta delec ima "polovičen" spin, pravzaprav je fermion. Glede na barvo (več o tem spodaj) je naboj kvarka lahko enak tretjini ali dvema tretjinama naboja protona. Kar zadeva barve, jih je šest (generacije kvarkov). Potrebni so, da se Paulijevo načelo ne krši.
Osnovnopodrobnosti
V sestavi hadronov se ti delci nahajajo na razdalji, ki ne presega omejitvene vrednosti. To je preprosto razloženo: izmenjujejo vektorje merilnega polja, torej gluone. Zakaj je kvark tako pomemben? Gluonska plazma (nasičena s kvarki) je stanje snovi, v katerem se je nahajalo celotno vesolje takoj po velikem poku. V skladu s tem je obstoj kvarkov in gluonov neposredna potrditev, da je res bil.
Imajo tudi svojo barvo, zato med gibanjem ustvarjajo svoje virtualne kopije. Skladno s tem, ko se razdalja med kvarki povečuje, se sila interakcije med njimi znatno poveča. Kot lahko uganete, pri minimalni razdalji interakcija praktično izgine (asimptotična svoboda).
Tako je vsaka močna interakcija v hadronih razložena s prehodom gluonov med kvarki. Če govorimo o interakcijah med hadroni, potem jih pojasnimo s prenosom pi-mezonske resonance. Preprosto povedano, posredno, se spet vse vrti v izmenjavo gluonov.
Koliko kvarkov je v nukleonih?
Vsak nevtron je sestavljen iz para d-kvarkov in celo enega samega u-kvarka. Vsak proton, nasprotno, je sestavljen iz enega samega d-kvarka in para u-kvarkov. Mimogrede, črke so dodeljene glede na kvantna števila.
Pojasnimo. Na primer, beta razpad je razložen prav s preobrazbo enega iste vrste kvarkov v sestavi nukleona v drugega. Da bo bolj jasno, lahko ta proces zapišemo kot formulo: d=u + w (to je nevtronski razpad). oz.proton je zapisan z nekoliko drugačno formulo: u=d + w.
Mimogrede, prav slednji proces pojasnjuje stalen pretok nevtrinov in pozitronov iz velikih zvezdnih kopic. Torej je na lestvici vesolja malo tako pomembnih delcev kot kvark: gluonska plazma, kot smo že rekli, potrjuje dejstvo velikega poka in študije teh delcev omogočajo znanstvenikom, da bolje razumejo samo bistvo svet, v katerem živimo.
Kaj je manjše od kvarka?
Mimogrede, iz česa so sestavljeni kvarki? Njihovi sestavni delci so preoni. Ti delci so zelo majhni in slabo razumljeni, tako da se o njih še danes ne ve veliko. To je tisto, kar je manjše od kvarka.
Od kod so prišli?
Do danes sta najpogostejši dve hipotezi o nastanku preonov: teorija strun in teorija Bilson-Thompson. V prvem primeru je pojav teh delcev razložen z nihanjem strune. Druga hipoteza kaže, da je njihov videz posledica vznemirjenega stanja prostora in časa.
Zanimivo je, da lahko v drugem primeru pojav v celoti opišemo z matriko vzporednega prenosa vzdolž krivulj vrtljive mreže. Lastnosti prav te matrike vnaprej določajo lastnosti preona. Iz tega so narejeni kvarki.
Če povzamemo nekaj rezultatov, lahko rečemo, da so kvarki neke vrste "kvant" v sestavi hadronov. Impresioniran? In zdaj bomo govorili o tem, kako je bil kvark na splošno odkrit. To je zelo zanimiva zgodba, ki poleg tega v celoti razkriva nekatere zgoraj opisane nianse.
čudni delci
Takoj po koncu druge svetovne vojne so znanstveniki začeli aktivno raziskovati svet subatomskih delcev, ki je bil do takrat videti primitivno preprost (po teh zamislih). Protoni, nevtroni (nukleoni) in elektroni tvorijo atom. Leta 1947 so odkrili pione (in njihov obstoj je bil napovedan že leta 1935), ki so bili odgovorni za medsebojno privlačnost nukleonov v jedru atomov. Temu dogodku je bila hkrati posvečena več kot ena znanstvena razstava. Kvarkov še niso odkrili, a trenutek napada na njihovo "sled" se je bližal.
Nevtrinov do takrat še niso odkrili. Toda njihov navidezni pomen pri razlagi beta razpada atomov je bil tako velik, da znanstveniki niso dvomili o njihovem obstoju. Poleg tega so bili nekateri antidelci že odkriti ali predvideni. Edina stvar, ki je ostala nejasna, je bila situacija z mioni, ki so nastali med razpadom pionov in nato prešli v stanje nevtrina, elektrona ali pozitrona. Fiziki sploh niso razumeli, čemu ta vmesna postaja sploh služi.
Žal, tako preprost in nezahteven model ni dolgo preživel trenutka odkritja potonik. Leta 1947 sta dva angleška fizika, George Rochester in Clifford Butler, objavila zanimiv članek v znanstveni reviji Nature. Material za to je bilo njihovo preučevanje kozmičnih žarkov s pomočjo oblačne komore, med katerim so pridobili radovedne informacije. Na eni od fotografij, posnetih med opazovanjem, je bil jasno viden par sledi s skupnim začetkom. Ker je neskladje spominjalo na latinski V, je takoj postalo jasno– naboj teh delcev je vsekakor drugačen.
Znanstveniki so takoj domnevali, da te sledi kažejo na dejstvo razpada neznanega delca, ki ni pustil drugih sledi. Izračuni so pokazali, da je njegova masa približno 500 MeV, kar je veliko večja od te vrednosti za elektron. Seveda so raziskovalci svoje odkritje poimenovali V-delec. Vendar to še ni bil kvark. Ta delec je še vedno čakal v svojih krilih.
Šekar se je začelo
Vse se je začelo s tem odkritjem. Leta 1949 so pod enakimi pogoji odkrili sled delca, ki je hkrati povzročil tri pione. Kmalu je postalo jasno, da sta ona, kot tudi V-delec, popolnoma različni predstavniki družine, sestavljene iz štirih delcev. Kasneje so jih imenovali K-mezoni (kaoni).
Par nabitih kaonov ima maso 494 MeV, v primeru nevtralnega naboja pa 498 MeV. Mimogrede, leta 1947 so imeli znanstveniki to srečo, da so ujeli ravno isti zelo redek primer razpada pozitivnega kaona, a takrat slike preprosto niso mogli pravilno interpretirati. Vendar, če smo povsem pošteni, je bilo prvo opazovanje kaona v resnici opravljeno že leta 1943, vendar so bile informacije o tem skoraj izgubljene v ozadju številnih povojnih znanstvenih publikacij.
Nova čudnost
In potem je znanstvenike čakalo več odkritij. V letih 1950 in 1951 so raziskovalci z univerze v Manchestru in Melnburgu uspeli najti delce, ki so veliko težji od protonov in nevtronov. Spet ni imel naboja, ampak je razpadel na proton in pion. Slednje, kot je mogoče razumeti,negativni naboj. Novi delec je bil poimenovan Λ (lambda).
Več časa je minilo, več vprašanj so imeli znanstveniki. Težava je bila v tem, da so novi delci nastali izključno iz močnih atomskih interakcij, ki so hitro razpadli na znane protone in nevtrone. Poleg tega so se vedno pojavljali v parih, nikoli ni bilo posameznih manifestacij. Zato je skupina fizikov iz ZDA in Japonske predlagala, da bi pri opisu uporabili novo kvantno število – čudnost. Po njihovi definiciji je bila nenavadnost vseh drugih znanih delcev nič.
Nadaljnje raziskave
Preboj v raziskavah se je zgodil šele po nastanku nove sistematizacije hadronov. Najpomembnejša osebnost pri tem je bil Izraelec Yuval Neaman, ki je kariero izjemnega vojaškega človeka spremenil v enako briljantno pot znanstvenika.
Opazil je, da mezoni in barioni, odkriti do takrat, razpadajo in tvorijo grozd sorodnih delcev, multipletov. Člani vsakega takega združenja imajo popolnoma enako nenavadnost, vendar nasprotne električne naboje. Ker res močne jedrske interakcije sploh niso odvisne od električnih nabojev, so v vseh drugih pogledih delci iz multipleta videti kot popolni dvojčki.
Znanstveniki so domnevali, da je za pojav takšnih formacij odgovorna neka naravna simetrija, in kmalu jim jo je uspelo najti. Izkazalo se je, da gre za preprosto posplošitev spinske skupine SU(2), ki so jo znanstveniki po vsem svetu uporabljali za opis kvantnih števil. tukajsamo do takrat je bilo znanih že 23 hadronov, njihovi vrtljaji pa so bili enaki 0, ½ ali celoštevilski enoti, zato takšne klasifikacije ni bilo mogoče uporabiti.
Zato sta morali za klasifikacijo uporabiti dve kvantni števili hkrati, zaradi česar je bila klasifikacija bistveno razširjena. Tako je nastala skupina SU(3), ki jo je na začetku stoletja ustvaril francoski matematik Elie Cartan. Za določitev sistematičnega položaja vsakega delca v njem so znanstveniki razvili raziskovalni program. Kvark je nato zlahka vstopil v sistematično serijo, kar je potrdilo absolutno pravilnost strokovnjakov.
Nove kvantne številke
Tako so znanstveniki prišli na zamisel o uporabi abstraktnih kvantnih števil, ki so postala hipernaboj in izotopski vrtenje. Vendar pa je nenavadnost in električni naboj mogoče sprejeti z enakim uspehom. Ta shema je bila konvencionalno imenovana Osemkratna pot. To zajame analogijo z budizmom, kjer morate, preden dosežete nirvano, iti tudi skozi osem stopenj. Vendar so vse to besedila.
Neeman in njegov kolega Gell-Mann sta svoje delo objavila leta 1961 in število takrat znanih mezonov ni preseglo sedem. Toda pri svojem delu se raziskovalci niso bali omeniti visoke verjetnosti obstoja osmega mezona. Istega leta 1961 je bila njihova teorija sijajno potrjena. Najden delec je bil poimenovan eta meson (grška črka η).
Nadaljnje ugotovitve in poskusi s svetlostjo so potrdili absolutno pravilnost klasifikacije SU(3). Ta okoliščina je postala močnaspodbuda za raziskovalce, ki so ugotovili, da so na pravi poti. Tudi sam Gell-Mann ni več dvomil, da kvarki obstajajo v naravi. Ocene o njegovi teoriji niso bile preveč pozitivne, vendar je bil znanstvenik prepričan, da je imel prav.
Tukaj so kvarki
Kmalu je bil objavljen članek "Shematski model barionov in mezonov". V njem so znanstveniki lahko nadalje razvili idejo sistematizacije, ki se je izkazala za tako uporabno. Ugotovili so, da SU(3) povsem dovoljuje obstoj celih trojk fermionov, katerih električni naboj se giblje od 2/3 do 1/3 in -1/3, pri čemer ima en delec vedno neničelno nenavadnost. Gell-Mann, ki nam je že dobro poznan, jih je imenoval "kvarkovni elementarni delci."
Glede na obtožbe jih je označil kot u, d in s (iz angleških besed up, down in strange). V skladu z novo shemo vsak barion tvorijo trije kvarki hkrati. Mezoni so veliko enostavnejši. Vključujejo en kvark (to pravilo je neomajno) in antikvark. Šele po tem je znanstvena skupnost spoznala obstoj teh delcev, ki jim je posvečen naš članek.
Malo več ozadja
Ta članek, ki je v veliki meri vnaprej določil razvoj fizike v prihodnjih letih, ima precej radovedno ozadje. Gell-Mann je razmišljal o obstoju tovrstnih trojčkov že dolgo pred njegovo objavo, vendar o svojih domnevah ni razpravljal z nikomer. Dejstvo je, da so bile njegove domneve o obstoju delcev z delnim nabojem videti kot neumnost. Vendar je po pogovoru z uglednim teoretičnim fizikom Robertom Serberjem izvedel, da je njegov koleganaredil popolnoma enake zaključke.
Poleg tega je znanstvenik naredil edino pravilno ugotovitev: obstoj takšnih delcev je možen le, če niso prosti fermioni, ampak so del hadronov. Dejansko v tem primeru njihovi dajatve tvorijo eno celoto! Sprva jih je Gell-Mann imenoval kvarki in jih celo omenjal na MTI, vendar je bila reakcija študentov in učiteljev zelo zadržana. Zato je znanstvenik zelo dolgo razmišljal, ali naj svojo raziskavo predstavi javnosti.
Samo beseda "kvark" (zvok, ki spominja na krik rac) je bila vzeta iz dela Jamesa Joycea. Nenavadno, a ameriški znanstvenik je svoj članek poslal prestižni evropski znanstveni reviji Physics Letters, saj se je resno bal, da ga uredniki po nivoju podobne ameriške izdaje Physical Review Letters ne bodo sprejeli v objavo. Mimogrede, če želite pogledati vsaj kopijo tega članka, imate neposredno pot do istega berlinskega muzeja. V njegovi razstavi ni kvarkov, obstaja pa popolna zgodovina njihovega odkritja (natančneje, dokumentarni dokazi).
Začetek revolucije Quark
Po pravici povedano je treba omeniti, da je skoraj istočasno na podobno idejo prišel znanstvenik iz CERN-a George Zweig. Najprej je bil njegov mentor sam Gell-Mann, nato pa Richard Feynman. Zweig je določil tudi resničnost obstoja fermionov, ki so imeli delne naboje, imenoval jih je le asi. Poleg tega je nadarjeni fizik obravnaval tudi barione kot trio kvarkov, mezone pa kot kombinacijo kvarkov.in antikvark.
Preprosto povedano, študent je popolnoma ponovil zaključke svojega učitelja in popolnoma ločen od njega. Njegovo delo se je pojavilo celo nekaj tednov pred Mannovo objavo, a le kot "domače" delo inštituta. Vendar pa je prisotnost dveh neodvisnih del, katerih zaključki so bili skoraj enaki, nekaj znanstvenikov takoj prepričali v pravilnost predlagane teorije.
Od zavrnitve do zaupanja
Toda mnogi raziskovalci so to teorijo sprejeli še zdaleč ne takoj. Ja, novinarji in teoretiki so ga hitro vzljubili zaradi njegove jasnosti in preprostosti, resni fiziki pa so ga sprejeli šele po 12 letih. Ne zamerite jim, da so preveč konzervativni. Dejstvo je, da je sprva teorija kvarkov močno nasprotovala Paulijevemu principu, ki smo ga omenili na samem začetku članka. Če predpostavimo, da proton vsebuje par u-kvarkov in en sam d-kvark, potem mora biti prvi strogo v istem kvantnem stanju. Po Pauliju je to nemogoče.
Takrat se je pojavilo dodatno kvantno število, izraženo kot barva (ki smo jo omenili tudi zgoraj). Poleg tega je bilo popolnoma nerazumljivo, kako elementarni delci kvarkov na splošno delujejo med seboj, zakaj se njihove proste sorte ne pojavljajo. Vse te skrivnosti je močno pripomogla k razkritju Teorije merilnih polj, ki so jo »spoklicali« šele sredi 70. let. Približno v istem času je bila vanj organsko vključena kvarkovska teorija hadronov.
Predvsem pa je razvoj teorije zavirala popolna odsotnost vsaj nekaterih eksperimentalnih eksperimentov,kar bi potrdilo tako sam obstoj kot interakcijo kvarkov med seboj in z drugimi delci. In postopoma so se začeli pojavljati šele od konca 60-ih let, ko je hiter razvoj tehnologije omogočil izvedbo eksperimenta s "prenosom" protonov z elektronskimi tokovi. Prav ti poskusi so omogočili dokazovanje, da so se nekateri delci res "skrili" v notranjosti protonov, ki so jih prvotno imenovali partoni. Pozneje so bili kljub temu prepričani, da to ni nič drugega kot pravi kvark, vendar se je to zgodilo šele konec leta 1972.
Poskusna potrditev
Seveda je bilo potrebnih veliko več eksperimentalnih podatkov, da bi končno prepričali znanstveno skupnost. Leta 1964 sta James Bjorken in Sheldon Glashow (mimogrede bodoči Nobelov nagrajenec) predlagala, da bi morda obstajala tudi četrta vrsta kvarka, ki sta jo poimenovala očarana.
Zahvaljujoč tej hipotezi so znanstveniki že leta 1970 lahko razložili številne nenavadnosti, ki so jih opazili med razpadom nevtralno nabitih kaonov. Štiri leta pozneje sta dve neodvisni skupini ameriških fizikov naenkrat uspeli popraviti razpad mezona, ki je vključeval le en "začarani" kvark, pa tudi njegov antikvark. Ni presenetljivo, da so ta dogodek takoj poimenovali novembrska revolucija. Prvič je teorija kvarkov dobila bolj ali manj "vizualno" potrditev.
O pomembnosti odkritja priča dejstvo, da sta vodja projekta, Samuel Ting in Barton Richter, žeprejeli Nobelovo nagrado za dve leti: ta dogodek se odraža v številnih člankih. Nekatere od njih si lahko ogledate v izvirniku, če obiščete newyorški muzej naravoslovja. Kvarki so, kot smo že povedali, izjemno pomembno odkritje našega časa, zato jim v znanstveni skupnosti posvečajo veliko pozornosti.
Končni argument
Šele leta 1976 so raziskovalci našli en delec z ničelnim šarmom, nevtralni D-mezon. To je precej zapletena kombinacija enega očaranega kvarka in u-antikvarka. Tu so bili celo zaostreni nasprotniki obstoja kvarkov prisiljeni priznati pravilnost teorije, ki je bila prvič izrečena pred več kot dvema desetletjema. Eden najbolj znanih teoretičnih fizikov, John Ellis, je šarm imenoval "vzvod, ki je obrnil svet."
Kmalu je seznam novih odkritij vključeval par posebej masivnih kvarkov, zgornji in spodnji, ki bi jih zlahka povezali s takrat že sprejeto sistematizacijo SU(3). V zadnjih letih znanstveniki govorijo o obstoju tako imenovanih tetrakvarkov, ki so jih nekateri znanstveniki že poimenovali »molekule hadrona«.
Nekaj zaključkov in zaključkov
Morate razumeti, da je odkritje in znanstveno utemeljitev obstoja kvarkov res lahko varno šteti za znanstveno revolucijo. Za njen začetek lahko štejemo leto 1947 (načeloma 1943), konec pa pade na odkritje prvega "začaranega" mezona. Izkazalo se je, da je trajanje zadnjega odkritja te ravni do danes, nič manj, kar 29 let (ali celo 32 let)! In vse točas ni bil porabljen samo za iskanje kvarka! Gluonska plazma je kot primarni objekt v vesolju kmalu pritegnila veliko več pozornosti znanstvenikov.
Vendar bolj zapleteno postane področje študija, več časa je potrebno za resnično pomembna odkritja. Kar zadeva delce, o katerih razpravljamo, nihče ne more podcenjevati pomena takšnega odkritja. S preučevanjem strukture kvarkov bo človek lahko prodrl globlje v skrivnosti vesolja. Možno je, da bomo šele po njihovi popolni študiji lahko ugotovili, kako se je zgodil veliki pok in po kakšnih zakonitostih se razvija naše Vesolje. Vsekakor je prav njihovo odkritje omogočilo prepričanje mnogih fizikov, da je realnost, ki nas obdaja, veliko bolj zapletena kot prejšnje zamisli.
Torej ste se naučili, kaj je kvark. Ta delec je nekoč naredil veliko hrupa v znanstvenem svetu, danes pa so raziskovalci polni upov, da bodo končno razkrili vse njegove skrivnosti.
