Kvarky, objev

dvacáté století začalo potvrzením, že hmota není spojitá, ale je tvořena malými atomy a molekulami. Skončilo to potvrzením, že hmota je částečně vyrobena z ještě drobnějších předmětů zvaných kvarky.

atomy se skládají z jader a elektronů a jádra se skládají z neutronů a protonů. V roce 1950 však byly protony a neutrony považovány za konečné elementární složky hmoty. Pion byl nositelem silná síla, která přitahuje protony a neutrony tvoří jádra, stejně jako foton byl elektromagnetickou sílu, která váže elektrony a jádry na atomy. Ale do roku 1962 bylo objeveno mnoho nových neočekávaných částic. Nejprve byly seskupeny do rodin nazývaných multiplety a popsány osminásobným způsobem. V roce 1966 bylo jasné, že žádná z nových částic nemůže být skutečně elementární. Neutron, proton, a pion se kvalitativně nelišily jako elektron a foton; oni a všechny nové silně interagující částice zvané baryony a mezony byly postaveny ze stejných ještě menších stavebních bloků, které se nyní nazývají kvarky.

samotný osminásobný způsob byl záhadný, protože nedal žádný důvod, proč by měly být nalezeny nějaké konkrétní multiplety. Jako Mendělejev tabulku chemických prvků, to poskytuje způsob, jak klasifikovat tzv. „elementární složky hmoty“, ale jejich velmi číslo, navrhl, že by mohli být všechny základní.

V roce 1963 Hayim Goldberg a Yuval Ne’eman poukázal na to, že všechny známé částice by mohla být postavena matematicky ze stejné tři stavební bloky, nyní volal nahoru (u ), down (d ), podivný (s ) kvarků, spolu s jejich antičástic, které se nyní nazývají antiquarks.

v roce 1964 se Murray Gell-Mann a George Zweig odvážili navrhnout, že to byly skutečně základní stavební kameny hmoty. Ale vznikly vážné potíže. Elektron, neutron, proton a pion byly objeveny experimentálně jako izolované částice, které by mohly být detekovány a vytvořeny jednotlivě a jejichž cesty vesmírem by mohly být určeny. Se současnou technologií však vědci stále nejsou schopni vytvářet nebo studovat jednotlivé kvarky. Vědci však již věřili, že hmota sestává z atomů a molekul dlouho předtím, než je někdo vytvořil nebo detekoval jednotlivě. Možná budoucí objevy umožní vytvoření a detekci kvarků.

neexistují jednoduché odpovědi na otázky, Kdo objevil atom, kdo objevil kvark a jak byla stanovena realita atomů a kvarků. Jedna možná odpověď se objeví v knize od E. D. Hirsch Jr. Školy, které Potřebujeme, a Proč Je nemáme: „vědecká komunita dosáhne závěry vzor nezávislé konvergence (druh intelektuální triangulace), který je spolu s přesnou předpověď, jeden z nejmocnějších budování důvěry vzory ve vědeckém výzkumu. V dějinách vědy existuje jen málo nebo žádné příklady, kdy byl stejný výsledek dosažený třemi nebo více skutečně nezávislými prostředky převrácen “ (s. 159). Hirsch cituje Abraham Pais životopis Einstein pro tento příklad konvergence:

diskuse o molekulární reality byl urovnán jednou a pro všechny z důvodu mimořádné dohody v hodnoty N získané mnoho různých metod. Záležitosti nebyly zajištěny určením N, ale nadměrným určením N. Z témat, jak různorodý jako radioaktivity, Brownův pohyb, a modré nebe, to bylo možné, aby stát, 1909, že tucet nezávislé způsoby měření N přinesla výsledky v pozoruhodné dohoda s jedním další.

V roce 1966 tento druh nepřímé důkazy již přesvědčen, že Richard Dalitz, že věc byla vyrobena z kvarků, když on dal jeho pozval recenze na výroční Mezinárodní Konferenci o Fyzice Vysokých Energií v Berkeley, Kalifornie. Důkazy zahrnovaly existenci experimentálně pozorované zákonitosti ve vlastnostech částice vytvořené v high-energie urychlovače, skutečnost, že kolize mezi různými druhy částic byly prostě souvisí skutečnost, že elektromagnetické vlastnosti různých mezony a baryony byly prostě souvisejících, zjištěné experimentální poměr magnetických momentů neutron a proton, a skutečnost, že anihilace protonu a antiprotonových v klidu téměř vždy vyrábí tři mezony. Thesewere jinak nevysvětlené a konvergovaly ke stejnému závěru: mezony a baryony byly postaveny ze stejných základních stavebních bloků. Tento nezávislý konvergence nakonec všechny přesvědčil, že všechny z mnoha částic je popsáno v Osmistupňovém Způsob, nebyly základní stavební bloky hmoty, jak bylo původně věřil, ale sami byli postaven i z ještě menších stavebních bloků.

Mnozí fyzici nemohli pochopit, proč se kvarky nebyly obecně přijímány až do roku 1970. Jeden problém byl, že hodnoty elektrického náboje kvarky byly menší než elektrický náboj elektronu. Kvark u má kladný elektrický náboj dvě třetiny hodnoty náboje elektronu a kvarky d A s mají záporné náboje jednu třetinu náboje elektronu. Dosud všechny známé částice mají hodnoty elektrického náboje, které jsou integrálními násobky náboje elektronu a jeho antičástice pozitronu. Frakčně nabité částice ani izolované kvarky nebyly nikdy pozorovány.

stále více a více nepřímých důkazů o existenci kvarků jako stavebních kamenů, ze kterých je postavena veškerá hmota, se nahromadilo od roku 1966. Všechny částice, které jsou neustále odhalen a že zapadají do multiplets definovanými v Osmistupňovém Způsob, jakým se chovají, jako kdyby oni jsou buď ze tří kvarků nebo z jednoho kvarku a jednoho anti-částice quark nazývá antiquark.

hledání důkazů pro jednotlivé kvarky

od prvního návrhu kvarku v roce 1964 experimentátoři hledali částice s elektrickými náboji menšími než náboj elektronu. Ale žádný nebyl nalezen. Všechny zdrcující důkazy o existenci kvarků přišel z vlastností mezony a baryony, které uvedly, že byly postaveny z kvarků.

V roce 1970 experimenty fotografování vysoce energetické elektrony na proton cíl důkaz, že elektrony jsou výrazné a rozptýlené jednotlivými kvarky. Zde byly důkazy stále nepřímé. Samotný kvark nebyl nikdy pozorován. Elektron rozptýlený bodovým objektem s elektrickým nábojem však mění směr pohybu a mění svou energii dobře definovaným a známým způsobem. Studium změn směru a energie v elektronovém rozptylu experimenty ukázaly, že elektrony byly rozptýleny od pointlike složek v proton s zlomkové elektrické náboje předpovídal kvarkový model.

tyto experimenty pomohly potvrdit, že zvláštní kvarky skutečně existovaly. Ale vznesli dvě nové otázky. Ačkoli kvarky byly elektronem zasaženy velmi tvrdě a absorbovaly velmi vysokou energii a hybnost, nikdy nebyly vyřazeny z protonu. Izolované volné kvarky nebyly nikdy pozorovány. To naznačovalo, že kvarky byly vázány velmi silnými silami uvnitř protonu, které je udržovaly uzavřené. Ale elektronový rozptyl dat je uvedeno, že objekty rozptyl elektronů převedených energie a hybnosti jako volné částice, žádný důkaz, že jsou omezeny všechny silné síly. Tyto dvě hádanky byly objasněny v novém standardním modelu a dostaly jména uvěznění a asymptotické svobody.

síly, které spojují kvarky do mezonů a baryonů, jsou tak silné na velké vzdálenosti, že Oddělení kvarku od sousedů stojí obrovské množství energie. Když je kvark v protonu zasažen energií dostatečnou k vytvoření nových částic, vytvoří se nový pár kvark-antiquark. Vytvořené antiquark pak kombinuje s udeřil quark vytvořit pion nebo jiné meson, a vytvořil quark se vrátí do jiných složek původního protonu. Energie produkovaná úderem kvarku do protonu nevede kvark sám z protonu; kvark zachytí antikvark, který byl vytvořen velkým přenosem energie, a poté zhasne jako mezon. Takto izolované kvarky nejsou nikdy pozorovány jako produkty vysokoenergetických kolizí; spíše vždy najdou partnery vytvořené v kolizích a spojí se s nimi za vzniku mezonů a baryonů. Jsou tedy vždy omezeny vazbou na mezony nebo baryony a nikdy nejsou pozorovány jako izolované volné kvarky.

novější experimenty s vysokoenergetickými kolizemi ukazují, jak zasažený kvark vytváří páry kvark-anti-kvark, které se rekombinují různými způsoby a vytvářejí řetězec mezonů a baryonů. Zasažené kvarkkombinuje s vytvořeným antiquark tvořit mezon, opouštět kvark partnera antiquark hledat nový vytvořený antiquark, atd. To se objeví v detektoru experimentu jako „jet“ částic jít ven z počáteční proton opět udeřil nebo vedoucí quark.

analogem tohoto tryskového jevu z naší každodenní zkušenosti je blesk. Když je elektrický náboj na oblaku dostatečně velký, silná síla na atomy vzduchu se stává tak velkou, že se rozpadají na Kladně a záporně nabité ionty. V případě, že mrak je negativně nabitá, přitahuje kladné ionty, přičemž negativní ionty hledat nové partnery a vytvořit řetěz nebo „jet“ přes vzduch, který člověk vidí jako blesk.

Standardní Model nyní vysvětluje, jak tyto silné síly nerušit elektron rozptylové experimenty, které dávají informace o elektrické náboje kvarků. Oblasti teorie nazývá kvantová chromodynamika (QCD) uvádí, že i když síly mezi kvarky se stal velmi silný, na dlouhé vzdálenosti, stávají se tak slabý, na krátké vzdálenosti, které jsou zcela zanedbatelné v high-energy electron rozptyl. Tento rozdíl mezi chováním na krátkou a dlouhou vzdálenost se nazývá asymptotická svoboda.

nepřímé důkazy podporující obraz kvarku

existuje mnoho nepřímých důkazů podporujících existenci kvarku: dohoda s experimentálními hodnotami elektrický náboj, spin a magnetické momenty částic kvarkový model předpovědi poskytli zarážející důkazy.

elektrické náboje baryonů vyrobené ze tří kvarků s hodnotami elektrického náboje +⅔ a -⅓ mohou být pouze +2, +1, 0 a -1. Elektrické náboje mezonů vyrobené z kvarku a jeho antikvarku konjugovaného s nábojem mohou být pouze 1, 0 a -1. Mnoho stovek částic je nyní známo a zatím všechny mají pouze tyto hodnoty pro elektrický náboj.

rotující pohyb částic a jejich zobrazení chování podobného malým magnetům poskytly důležité stopy jejich struktuře. Rotující elektricky nabitý top se chová jako magnet. Síla malého magnetu elektronu, nazývaného jeho magnetický moment, byla úspěšně popsána slavnou teorií a rovnicí Paula Diraca.

magnetické momenty protonu a neutronu daly první náznak, že nejsou elementární, ale mají složitější strukturu. Neutron nemá žádný elektrický náboj, ale chová se jako magnet vyrobený z rotujícího záporného náboje. To naznačuje, že neutron není elementární objekt bez elektrického náboje, ale sestává z menších stavebních bloků, které mají kladné i záporné náboje rotující v opačných směrech. Protonový magnetický moment je mnohem větší než moment popsaný Diracovou teorií.

Jeden z prvních úspěchů kvarkový model ukazoval, jak správně experimentální hodnoty částic spiny a magnetické momenty byly získány sečtením příspěvků quark spiny a magnetické momenty v každé z nich. A baryon tři kvarky mají spin třikrát spin elektronu nebo protonu, pokud otáčení jsou rovnoběžné a mají spin roven elektronového spinu, pokud spin je opačný spin dalších dvou. Meson z kvark a antiquark bude mít spin roven dvojnásobku spinu elektronu, pokud otáčení jsou rovnoběžné a žádné kolo, pokud jsou opačné a zrušit. Otočení všech měřených částic odpovídá tomuto obrázku.

pro získání hodnot magnetických momentů v protonu a neutronu je třeba nejprve poznamenat,že proton se skládá ze dvou kvarků u s paralelními spiny a jednoho kvarku d s opačným spinem. Kvarky u A d mají opačné znaky elektrického náboje, jejich magnety směřují stejným směrem, když se točí v opačných směrech. Každý kvarkový magnetický moment je úměrný jeho elektrickému náboji. Tedy dvěma u kvarky v protonu s nábojem +⅔ každý přispět +⅔ Dirac jednotek magnetický moment, zatímco d kvark s nábojem -⅓ se točí v opačném směru a přispívá -⅓ Dirac jednotky. V hrubé aproximaci je přidáme, abychom získali protonový magnetický moment jako + 5/3 Diracových jednotek. Neutron má dva kvarky d s nábojem -⅓ jednotek a paralelních spinů každý přispívající -⅓ jednotky, a jeden u kvark s nábojem -⅔ a opačným spinem, které přispívají -⅔ jednotky dát neutron magnetický moment -4/3 Dirac jednotek. To dává -5/4 pro poměr protonových a neutronových magnetických momentů. Přesnější výpočet pomocí kvantově mechanického přidání otočení dává-3/2, což pozoruhodně souhlasí s experimentální hodnotou -1,46. Součet neutronových a protonových momentů je ⅓ Diracova jednotka. Rozumný předpoklad pro hodnotu kvarkové Diracovy jednotky dává experimentální hodnotu 0,33.

to je typické pro hromadění nepřímých důkazů podporujících přesvědčení, že kvarky jsou správnými stavebními kameny hmoty. Za prvé, elektrické náboje neutronu a protonu a všech ostatních částic vycházejí správně. Za druhé jsou vysvětleny spiny a velmi přesné správné hodnoty magnetických momentů neutronu a protonu. To vše potvrzuje obraz, že částice se chovají „jako by byly vyrobeny z kvarků.“Jejich elektřina, magnetismus a spin by bylo velmi těžké pochopit, kdyby nebyly postaveny z těchto stavebních bloků. To by nemělo být jasné, například, proč neutronové, která nemá elektrický náboj, má magnetický moment podobné proton, které má elektrický náboj, nebo proč neutronové také má opačné znaménko a správný poměr k protonu chvíli předpovídal kvarkový model.

Toto je pouze jeden příklad nepřímých důkazů podporujících závěr, že kvarky jsou základními stavebními kameny veškeré hmoty. Standardní Model, který řídí všechny teoretické a experimentální výzkumy ve fyzice částic, začíná těmito znalostmi, i když izolované jednotlivé kvarky nebyly nikdy pozorovány.

Viz také:Osmidílná Cesta; Standardní Model; Symetrie Principy