Kvarker, opdagelse af

det tyvende århundrede begyndte med bekræftelsen af, at Stof ikke var kontinuerligt, men lavet af små atomer og molekyler. Det sluttede med bekræftelsen af, at sagen delvis er lavet af endnu mindre genstande kaldet kvarker.

atomer består af kerner og elektroner, og kerner består af neutroner og protoner. Imidlertid blev proton og neutron i 1950 anset for at være de endelige elementære bestanddele af materie. Pionen var bæreren af den stærke kraft, der tiltrak protoner og neutroner til dannelse af kerner, ligesom fotonen var bæreren af den elektromagnetiske kraft, der bundede elektroner og kerner i atomer. Men i 1962 var mange nye uventede partikler blevet opdaget. De blev først grupperet i familier kaldet multiplets og beskrevet på den ottefoldige måde. I 1966 blev det klart, at ingen af de nye partikler kunne være virkelig elementære. Neutronen, protonen og pionen var ikke kvalitativt forskellige som elektronen og fotonen; de og alle de nye stærkt interagerende partikler kaldet baryoner og mesoner blev bygget af de samme endnu mindre byggesten, der nu kaldes kvarker.

den ottefoldige måde i sig selv havde været forvirrende, fordi den ikke gav nogen grund til, at der skulle findes nogen særlige multiplets. Ligesom Mendeleev-tabellen over de kemiske elementer gav den en måde at klassificere de såkaldte “elementære bestanddele af materie”, men deres meget Antal antydede, at de ikke alle kunne være elementære.

i 1963 påpegede Hayim Goldberg og Yuval Ne ‘ eman, at alle de kendte partikler kunne konstrueres matematisk fra de samme tre byggesten, nu kaldet op (u), ned (d) og mærkelige (s ) kvarker sammen med deres antipartikler, nu kaldet antikvarker.

i 1964 Murray Gell-Mann og George vovede at foreslå, at disse virkelig var de grundlæggende byggesten i materien. Men der opstod en alvorlig vanskelighed. Elektronen, neutronen, protonen og pionen blev alle opdaget eksperimentelt som isolerede partikler, der kunne detekteres og oprettes individuelt, og hvis stier gennem rummet kunne bestemmes. Men med den nuværende teknologi er forskere stadig ikke i stand til at skabe eller studere individuelle kvarker. Men forskere troede allerede, at Stof bestod af atomer og molekyler længe før nogen havde skabt eller opdaget dem individuelt. Måske vil fremtidige opdagelser gøre oprettelsen og detekteringen af kvarker mulig.

der er ingen enkle svar på de spørgsmål, der opdagede atomet, der opdagede kvarken, og hvordan virkeligheden af atomer og kvarker blev etableret. Et muligt svar vises i bogen af E. D. Hirsch Jr. de skoler, vi har brug for, og hvorfor vi ikke har dem: “det videnskabelige samfund når konklusioner ved et mønster af uafhængig konvergens (en slags intellektuel triangulering), som sammen med nøjagtig forudsigelse er et af de mest magtfulde tillidsskabende mønstre inden for videnskabelig forskning. Der er få eller ingen eksempler i videnskabens historie, når det samme resultat, nået med tre eller flere virkelig uafhængige midler, er blevet væltet” (s.159). Hirsch citerer Abraham Pais biografi om Einstein for et eksempel på denne konvergens:

debatten om molekylær virkelighed blev afgjort en gang for alle på grund af den ekstraordinære aftale i værdierne af N opnået ved mange forskellige metoder. Sager blev clinched ikke ved en bestemmelse af N, men ved en overbestemmelse af N. Fra emner så forskellige som radioaktivitet, brunisk bevægelse og det blå på himlen var det muligt i 1909 at sige, at et dusin uafhængige måder at måle N gav resultater i bemærkelsesværdig overensstemmelse med hinanden.

i 1966 overbeviste denne form for indicier allerede Richard Dalits om, at sagen var lavet af kvarker, da han gav sin inviterede gennemgang på den årlige internationale konference om Højenergifysik i Berkeley, Californien. Dette bevis omfattede eksistensen af eksperimentelt observerede regelmæssigheder i egenskaberne af partikler skabt ved højenergiacceleratorer, det faktum, at kollisioner mellem forskellige slags partikler simpelthen var beslægtede, det faktum, at de elektromagnetiske egenskaber af forskellige mesoner og baryoner simpelthen var beslægtede, det observerede eksperimentelle forhold mellem neutronens og protonens magnetiske øjeblikke, og det faktum, at udslettelsen af en proton og et antiproton i hvile næsten altid producerede tre mesoner. Disse var ellers uforklarlige og konvergerede på samme konklusion: mesoner og baryoner blev bygget fra de samme elementære byggesten. Denne uafhængige konvergens overbeviste til sidst alle om, at alle de mange partikler, der blev beskrevet på den ottefoldige måde, ikke var materiens grundlæggende byggesten, som man tidligere havde troet, men selv var bygget af endnu mindre byggesten.

mange partikelfysikere kunne ikke forstå, hvorfor kvarker ikke blev almindeligt accepteret før langt ind i 1970 ‘ erne. et problem var, at værdierne for kvarkernes elektriske ladninger var mindre end elektronens elektriske ladning. U-kvarken har en positiv elektrisk ladning to tredjedele af værdien af elektronens ladning, og D-og s-kvarkerne har negative ladninger en tredjedel af elektronens ladning. Indtil videre har alle kendte partikler værdier for elektrisk ladning, der er integrerede multipla af ladningen af elektronen og dens antipartikel positronen. Hverken fraktioneret ladede partikler eller isolerede kvarker er nogensinde blevet observeret.

endnu flere og flere omstændigheder for eksistensen af kvarker som de byggesten, hvorfra alt stof er konstrueret, er akkumuleret siden 1966. Alle de partikler, der konstant opdages, og som passer ind i de multiplets, der er defineret af den ottefoldige måde, opfører sig som om de enten er bygget af tre kvarker eller fra en enkelt kvark og en enkelt antipartikel af kvarken kaldet en antikvark.

søgningen efter beviser for individuelle kvarker

lige siden det første kvarkforslag i 1964 har eksperimenter søgt efter partikler med elektriske ladninger mindre end elektronens ladning. Men ingen er fundet. Alle de overvældende beviser for eksistensen af kvarker kom fra egenskaber af mesoner og baryoner, der viste, at de blev bygget fra kvarker.

i 1970 ‘ erne producerede eksperimenter, der skyder højenergielektroner mod et protonmål, bevis for, at elektronerne slog og blev spredt af enkelt kvarker. Her igen var beviserne stadig omstændigheder. Kvarken selv blev aldrig observeret. Men en elektron spredt af et punktlignende objekt med en elektrisk ladning ændrer sin bevægelsesretning og ændrer sin energi på en veldefineret og velkendt måde. Undersøgelse af retningsændringer og energi i elektronspredningseksperimenterne viste, at elektronerne var spredt fra punktlignende bestanddele i protonen med de fraktionerede elektriske ladninger forudsagt af kvarkmodellen.

disse eksperimenter hjalp med at bekræfte, at de ejendommelige kvarker virkelig eksisterede. Men de rejste to nye spørgsmål. Selvom kvarkerne blev ramt meget hårdt af elektronen, og de absorberede en meget høj energi og momentum, blev de aldrig slået ud af protonen. Isolerede frie kvarker blev aldrig observeret. Dette indikerede, at kvarkerne var bundet af meget stærke kræfter inde i protonen, der holdt dem begrænset. Men elektronspredningsdataene viste, at objekterne, der spredte elektronerne, overførte energi og momentum som en fri partikel uden tegn på at være begrænset af nogen stærke kræfter. Disse to gåder er blevet afklaret i den nye standardmodel og givet navnene på indespærring og asymptotisk frihed.

de kræfter, der binder kvarker sammen til mesoner og baryoner, er så stærke i store afstande, at det at adskille en kvark fra sine naboer koster en enorm mængde energi. Når en kvark i en proton rammes med en energi, der er tilstrækkelig til at skabe nye partikler, oprettes et nyt kvark-antikvark-par. Den skabte antikvark kombinerer derefter med den ramte kvark for at skabe en pion eller anden meson, og den skabte kvark vender tilbage til de andre bestanddele i den oprindelige proton. Den energi, der produceres ved at slå en kvark i en proton, driver ikke kvarken af sig selv ud af protonen; kvarken opfanger et antikvark, der er skabt af den store energioverførsel og derefter går ud som en meson. Således observeres isolerede kvarker aldrig som produkter af højenergikollisioner; snarere finder de altid partnere skabt i kollisionerne og kombinerer med dem for at danne mesoner og baryoner. De er således altid begrænset ved at blive bundet til mesoner eller baryoner og observeres aldrig som isolerede frie kvarker.

nyere eksperimenter med højenergikollisioner viser, hvordan en ramt kvark skaber kvark-anti-kvarkpar, der rekombineres på forskellige måder for at skabe en kæde af mesoner og baryoner. Den ramte kvarkkombinerer med et skabt antikvark for at danne en meson, forlader antikvarkens kvarkpartner for at søge et nyt skabt antikvark, etc. Dette fremgår af eksperimentets detektor som en” stråle ” af partikler, der går ud fra den oprindelige proton til den ramte eller førende kvark.

en analog til dette jetfænomen fra vores daglige oplevelse er lyn. Når den elektriske ladning på en sky bliver tilstrækkelig stor, bliver den stærke kraft på luftatomerne så stor, at de bryder op i positivt og negativt ladede ioner. Hvis skyen er negativt ladet, tiltrækker den de positive ioner og efterlader de negative ioner til at søge efter nye partnere og skabe en kæde eller “jet” gennem luften, som man ser som lyn.

standardmodellen forklarer nu, hvordan disse stærke kræfter ikke forstyrrer elektronspredningseksperimenterne, der giver information om kvarkernes elektriske ladninger. Feltteorien kaldet kvantekromodynamik (KCD) siger, at selvom kræfterne mellem kvarker bliver meget stærke på lange afstande, bliver de så svage på korte afstande, at de er helt ubetydelige i elektronspredning med høj energi. Denne forskel mellem kort og lang distance adfærd kaldes asymptotisk frihed.

de indicier, der understøtter Kvarkbilledet

der er meget indicier, der understøtter kvarkens eksistens: aftalen med de eksperimentelle værdier af den elektriske ladning, spin og magnetiske øjeblikke af partikler med forudsigelser af kvarkmodeller har givet slående bevis.

de elektriske ladninger af baryoner lavet af tre kvarker med elektriske ladningsværdier +liter og-liter kan kun være +2, +1, 0 og -1. De elektriske ladninger af mesoner fremstillet af en kvark og dens ladningskonjugat antikvark kan kun være 1, 0 og -1. Mange hundrede partikler er nu kendt, og hidtil har alle kun disse værdier for elektrisk ladning.

partiklernes roterende bevægelse og deres visning af adfærd svarende til små magneter gav vigtige spor til deres struktur. En roterende elektrisk ladet top opfører sig som en magnet. Styrken af elektronens lille magnet, kaldet dets magnetiske øjeblik, blev med succes beskrevet af Paul Diracs berømte teori og ligning.

protonens og neutronens magnetiske øjeblikke gav den første indikation af, at de ikke var elementære, men havde en mere kompliceret struktur. Neutronen har ingen elektrisk ladning, men opfører sig som en magnet lavet af spinning negativ ladning. Dette antyder, at neutronen ikke er et elementært objekt uden elektrisk ladning, men består af mindre byggesten med både positive og negative ladninger, der spinder i modsatte retninger. Protonmagnetisk øjeblik er meget større end det, der er beskrevet af Diracs teori.

en af de første succeser med kvarkmodellen viste, hvordan de rigtige eksperimentelle værdier af partikelspins og magnetiske øjeblikke blev opnået ved at tilføje bidragene fra kvarkspins og magnetiske øjeblikke i hver. En baryon lavet af tre kvarker vil have et spin tre gange elektronens eller protonens spin, hvis spinnene er parallelle og vil have et spin svarende til elektronspin, hvis spin af en er modsat spin af de to andre. En meson lavet af en kvark og en antikvark vil have et spin svarende til to gange elektron spin, hvis spin er parallelle og nul spin, hvis de er modsatte og annullere. Spin af alle målte partikler passer til dette billede.

for at opnå værdierne for de magnetiske øjeblikke i protonen og neutronen skal man først bemærke, at protonen består af to u-kvarker med parallelle spins og en d-kvark med modsat spin. U-og d-kvarkerne har modsatte tegn på elektrisk ladning, deres magneter peger i samme retning, når de spinder i modsatte retninger. Hvert kvarkmagnetisk øjeblik er proportional med dets elektriske ladning. Således bidrager de to u-kvarker i protonen med ladning +Karr hver +Karr Dirac-enheder med magnetisk øjeblik, mens d-kvarken med ladning-Karr spinder i den modsatte retning og bidrager-Karr Dirac-enhed. I en rå tilnærmelse tilføjer man disse for at få protonmagnetisk øjeblik som +5/3 Dirac enheder. Neutronen har to D-kvarker med charge-LARP-enheder og parallelle spins, der hver bidrager-LARP-enheder, og en u-kvark med charge-LARP og modsat spin, der bidrager-LARP-enheder for at give et neutronmagnetisk øjeblik på -4/3 Dirac-enheder. Dette giver -5 / 4 for forholdet mellem proton og neutron magnetiske øjeblikke. En mere præcis beregning ved hjælp af kvantemekanisk tilsætning af spins giver-3/2, hvilket er bemærkelsesværdigt godt i overensstemmelse med den eksperimentelle værdi på -1.46. Summen af neutron – og protonmomenterne er Dirac-enheden. En rimelig antagelse for værdien af kvark Dirac-enheden giver en eksperimentel værdi på 0,33.

dette er typisk for akkumulering af omstændighedsbeviser, der understøtter troen på, at kvarker er de rigtige byggesten i materie. For det første kommer de elektriske ladninger af neutronen og protonen og alle andre partikler ud rigtigt. For det andet forklares spin og meget præcise korrekte værdier for neutronens og protonens magnetiske øjeblikke. Alle disse bekræfter billedet, at partikler opfører sig ” som om de var lavet af kvarker.”Deres elektricitet, magnetisme og spin ville være meget svært at forstå, hvis de ikke blev bygget fra disse byggesten. Det ville for eksempel ikke være klart, hvorfor neutronen, som ikke har nogen elektrisk ladning, har et magnetisk øjeblik svarende til protonen, som har elektrisk ladning, eller hvorfor neutronen også har det modsatte tegn og det korrekte forhold til protonmomentet forudsagt af kvarkmodellen.

dette er kun et eksempel på de omstændigheder, der understøtter konklusionen om, at kvarker er de grundlæggende byggesten i alt stof. Standardmodellen, der styrer alle teoretiske og eksperimentelle undersøgelser inden for partikelfysik, begynder med denne viden, selvom isolerede individuelle kvarker aldrig er blevet observeret.

Se også:ottefoldig måde; standardmodel; Symmetriprincipper