Kvarkit, löytö

kahdeskymmenes vuosisata alkoi vahvistuksella, että aine ei ollut jatkuvaa, vaan tehty pienistä atomeista ja molekyyleistä. Se päättyi vahvistukseen siitä, että ainetta tehdään osittain vielä pienemmistä kvarkeiksi kutsutuista kappaleista.

atomit koostuvat ytimistä ja elektroneista ja ytimet neutroneista ja protoneista. Vuonna 1950 protonia ja neutronia pidettiin kuitenkin aineen viimeisinä alkeiskomponentteina. Pioni oli sen voimakkaan voiman kantaja, joka houkutteli protoneja ja neutroneja muodostamaan ytimiä, aivan kuten fotoni oli elektroneja ja ytimiä atomeiksi sitovan sähkömagneettisen voiman kantaja. Mutta vuoteen 1962 mennessä oli löydetty monia uusia odottamattomia hiukkasia. Ne ryhmiteltiin ensin suvuiksi, joita kutsuttiin multipleteiksi ja kuvattiin Kahdeksanosaisella tavalla. Vuoteen 1966 mennessä kävi selväksi, että mikään uusista hiukkasista ei voinut olla varsinaisesti alkeishiukkasia. Neutroni, protoni ja pioni eivät olleet laadullisesti erilaisia kuin elektroni ja fotoni; ne ja kaikki uudet voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevat hiukkaset, joita kutsutaan baryoneiksi ja mesoneiksi, rakennettiin samoista pienemmistä rakennuspalikoista, joita nykyään kutsutaan kvarkeiksi.

itse kahdeksanosainen tapa oli herättänyt kummastusta, koska se ei antanut mitään syytä sille, miksi mitään tiettyä kertojaa pitäisi löytää. Kuten Mendelejevin taulukko alkuaineista, se tarjosi tavan luokitella niin sanotut” aineen alkeiskomponentit”, mutta jo niiden lukumäärä viittasi siihen, etteivät ne kaikki voineet olla alkeiskomponentteja.

vuonna 1963 Hayim Goldberg ja Yuval ne’eman osoittivat, että kaikki tunnetut hiukkaset voitaisiin rakentaa matemaattisesti samoista kolmesta rakennuspalikasta, joita nykyään kutsutaan up (u) -, down (d) – ja strange (s) – kvarkeiksi ja niiden antihiukkasiksi, joita nykyään kutsutaan antikvarkeiksi.

vuonna 1964 Murray Gell-Mann ja George Zweig uskalsivat esittää, että nämä todellakin olivat aineen perusrakennuspalikoita. Mutta syntyi vakava vaikeus. Elektroni, neutroni, protoni ja pioni löydettiin kaikki kokeellisesti erillisinä hiukkasina, jotka voitiin havaita ja luoda yksittäin ja joiden kulkureitit avaruuden läpi voitiin määrittää. Nykyisellä teknologialla tutkijat eivät kuitenkaan vieläkään pysty luomaan tai tutkimaan yksittäisiä kvarkkeja. Mutta tiedemiehet uskoivat aineen koostuvan atomeista ja molekyyleistä jo kauan ennen kuin kukaan oli luonut tai havainnut niitä yksitellen. Ehkä tulevat löydöt tekevät kvarkkien luomisen ja havaitsemisen mahdolliseksi.

ei ole olemassa yksinkertaisia vastauksia kysymyksiin, Kuka löysi atomin, kuka löysi kvarkin ja miten atomien ja kvarkkien todellisuus vakiintui. Yksi mahdollinen vastaus löytyy E. D. Hirsch Jr: n kirjasta The Schools we Need and Why We Don ’ t Have Them: ”tiedeyhteisö tekee johtopäätökset riippumattoman konvergenssin (eräänlaisen älyllisen kolmiomittauksen) avulla, mikä on tarkan ennustamisen ohella yksi voimakkaimmista luottamusta lisäävistä malleista tieteellisessä tutkimuksessa. Tieteen historiassa on vain vähän tai ei lainkaan esimerkkejä, joissa sama, kolmella tai useammalla todella itsenäisellä keinolla saavutettu tulos on kumottu ” (s.159). Hirsch lainaa Abraham Pais: n Einsteinin elämäkertaa esimerkkinä tästä konvergenssista:

keskustelu molekyylitodellisuudesta ratkesi kertaheitolla, koska N: n arvoissa oli poikkeuksellista yksimielisyyttä monilla eri menetelmillä. Tilannetta ei ratkaissut N: n määritys vaan n: n yliannostus. Niinkin erilaisista aiheista kuin radioaktiivisuudesta, Brownian liikkeestä ja taivaan sinisestä voitiin todeta vuoteen 1909 mennessä, että kymmenkunta riippumatonta N-mittaustapaa johti huomattavaan yksimielisyyteen keskenään.

vuonna 1966 tällaiset aihetodisteet vakuuttivat jo Richard Dalitzin siitä, että aine on tehty kvarkeista, kun hän piti kutsumansa arvostelun vuosittaisessa kansainvälisessä korkean energian fysiikan konferenssissa Berkeleyssä, Kaliforniassa. Tähän todistusaineistoon kuuluivat kokeellisesti havaitut säännönmukaisuudet suurienergiaisten kiihdyttimien hiukkasten ominaisuuksissa, se, että erilaisten hiukkasten törmäykset olivat yksinkertaisesti toisiinsa liittyviä, se, että eri mesonien ja baryonien sähkömagneettiset ominaisuudet olivat yksinkertaisesti toisiinsa liittyviä, neutronin ja protonin magneettisten momenttien havaittu kokeellinen suhde ja se, että protonin ja antiprotonin annihilaatio levossa tuotti lähes aina kolme mesonia. Nämä olivat muuten selittämättömiä ja yhtyivät samaan johtopäätökseen: mesonit ja baryonit rakennettiin samoista alkeisrakennuspalikoista. Tämä itsenäinen konvergenssi sai lopulta kaikki vakuuttuneiksi siitä, että kaikki ne monet hiukkaset, joita kahdeksanosainen tie kuvasi, eivät olleet aineen perusrakenneosasia, kuten aiemmin oli uskottu, vaan ne itse oli rakennettu vielä pienemmistä rakennusosasista.

monet hiukkasfyysikot eivät voineet ymmärtää, miksi kvarkit hyväksyttiin yleisesti vasta pitkälle 1970-luvulle. yksi ongelma oli, että kvarkkien sähkövarausten arvot olivat pienempiä kuin elektronin sähkövaraus. U-kvarkin positiivinen sähkövaraus on kaksi kolmasosaa elektronin varauksen arvosta, ja d-ja s-kvarkeilla on negatiivisia varauksia kolmasosa elektronin varauksesta. Toistaiseksi kaikilla tunnetuilla hiukkasilla on sähkövarauksen arvot, jotka ovat integraalikertoimia elektronin ja sen antipartikkelin positronin varauksesta. Fraktaalisesti varautuneita hiukkasia tai eristettyjä kvarkkeja ei ole koskaan havaittu.

vuoden 1966 jälkeen on kertynyt yhä enemmän aihetodisteita kvarkkien olemassaolosta rakennusosina, joista kaikki aine on rakennettu. Kaikki jatkuvasti löydettävät hiukkaset, jotka sopivat kahdeksanosaisen tavan määrittelemiin monilukuihin, käyttäytyvät ikään kuin ne olisi rakennettu joko kolmesta kvarkista tai yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkiksi kutsutusta kvarkin antihiukkasesta.

todistusaineiston etsiminen yksittäisistä kvarkeista

ensimmäisestä kvarkkiehdotuksesta lähtien vuonna 1964 tutkijat ovat etsineet hiukkasia, joiden sähkövaraus on pienempi kuin elektronin varaus. Niitä ei kuitenkaan ole löydetty. Kaikki ylivoimainen todiste kvarkkien olemassaolosta tuli mesonien ja baryonien ominaisuuksista, jotka osoittivat niiden rakentuneen kvarkeista.

1970-luvulla tehdyt kokeet, joissa ammuttiin suurienergiaisia elektroneja protonikohteeseen, tuottivat todisteita siitä, että elektronit osuivat ja sirottelivat niitä yksittäisten kvarkkien avulla. Tässäkin tapauksessa todisteet olivat edelleen aihetodisteita. Itse kvarkkia ei koskaan havaittu. Mutta pistekaltaisen kappaleen sirottama elektroni, jolla on sähkövaraus, muuttaa liikesuuntaansa ja muuttaa energiaansa hyvin määritellyllä ja tunnetulla tavalla. Elektronien sirontakokeissa tapahtuneiden suunnan ja energian muutosten tutkiminen osoitti, että elektronit hajaantuivat protonin pistemäisistä rakenneosista kvarkkimallin ennustamilla murto-osaisilla sähkövarauksilla.

nämä kokeet auttoivat vahvistamaan, että erikoiset kvarkit todella olivat olemassa. Mutta he herättivät kaksi uutta kysymystä. Vaikka elektroni osui kvarkkeihin erittäin voimakkaasti ja ne absorboivat erittäin suuren energian ja liikemäärän, ne eivät koskaan pudonneet protonista. Yksittäisiä vapaita kvarkkeja ei koskaan havaittu. Tämä viittasi siihen, että kvarkkeja sitoivat protonin sisällä hyvin voimakkaat voimat, jotka pitivät ne vangittuina. Elektronien sirontatiedot kuitenkin osoittivat, että elektroneja siroavat kappaleet siirsivät energiaa ja liikemäärää vapaan hiukkasen tavoin, eikä mitään todisteita siitä, että voimakkaat voimat olisivat rajoittaneet niitä. Nämä kaksi arvoitusta on selvennetty uudessa standardimallissa ja annettu nimet vankeus ja asymptoottinen vapaus.

kvarkit yhteen mesoneiksi ja baryoneiksi sitovat voimat ovat suurilla etäisyyksillä niin voimakkaita, että kvarkin erottaminen naapureistaan maksaa valtavan määrän energiaa. Kun protonin kvarkkiin törmätään energiaa, joka riittää uusien hiukkasten syntymiseen, syntyy uusi kvarkki-antikvarkki-pari. Tällöin luotu antikvarkki yhdistyy osuneeseen kvarkkiin muodostaen pionin tai muun mesonin, ja luotu kvarkki palaa alkuperäisen protonin muihin rakenneosiin. Energia, joka tuotetaan törmäämällä kvarkkiin protonissa, ei aja kvarkkia itsestään ulos protonista; kvarkki poimii antikvarkin, joka on syntynyt suuren energiasiirron seurauksena, ja lähtee sitten liikkeelle mesonina. Näin eristyneitä kvarkkeja ei koskaan havaita suurienergiaisten törmäysten tuotteina, vaan ne löytävät aina törmäyksissä syntyneet kumppanit ja yhdistyvät niiden kanssa muodostaen mesoneja ja baryoneja. Ne ovat siis aina sidottuja mesoneihin tai baryoneihin, eikä niitä koskaan havaita eristettyinä vapaina kvarkkeina.

uudemmat suurienergiaisilla törmäyksillä tehdyt kokeet osoittavat, kuinka osunut kvarkki luo kvarkki-antikvarkkipareja, jotka rekombinoituvat eri tavoin muodostaen mesonien ja baryonien ketjun. Törmännyt kvarkki yhdistyy luodun antikvarkin kanssa mesoniksi, jolloin antikvarkin kumppani lähtee etsimään uutta luotua antikvarkkia jne. Tämä näkyy kokeen ilmaisimessa hiukkasten” suihkuna”, joka menee ulos alkuperäisestä protonista iskeneeseen tai johtavaan kvarkkiin.

analogi tälle suihkuilmiölle arkikokemuksestamme on salama. Kun pilven sähkövaraus kasvaa riittävän suureksi, ilma-atomeihin kohdistuva voimakas voima kasvaa niin suureksi, että ne hajoavat positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Jos pilvi on negatiivisesti varautunut, se vetää puoleensa positiivisia ioneja, jolloin negatiiviset ionit voivat etsiä uusia kumppaneita ja luoda ilman läpi ketjun eli” suihkun”, jonka näkee salamana.

standardimalli selittää nyt, miten nämä voimakkaat voimat eivät häiritse elektronien sirontakokeita, jotka antavat tietoa kvarkkien sähkövarauksista. Kvanttikromodynamiikaksi (QCD) kutsutun kenttäteorian mukaan kvarkkien väliset voimat tulevat pitkillä etäisyyksillä hyvin voimakkaiksi, mutta lyhyillä etäisyyksillä ne tulevat niin heikoiksi, että ne ovat suurienergiaisessa elektronisironnassa täysin mitättömiä. Tätä lyhyen ja pitkän matkan käyttäytymisen eroa kutsutaan asymptoottiseksi vapaudeksi.

kvarkin kuvaa tukevat aihetodisteet

kvarkin olemassaoloa tukevat monet aihetodisteet: hiukkasten sähkövarauksen, Spinin ja magneettisten momenttien kokeellisten arvojen yhtyminen kvarkkimallin ennusteisiin on antanut hätkähdyttävän todistusaineiston.

kolmesta kvarkista tehtyjen baryonien sähkövaraukset, joiden sähkövarausarvot + ⅔ ja -⅓ voivat olla vain +2, +1, 0 ja -1. Kvarkista ja sen varauskonjugaattiantikvarkista tehtyjen mesonien sähkövaraukset voivat olla vain 1, 0 ja -1. Nykyään tunnetaan useita satoja hiukkasia, ja toistaiseksi kaikilla on vain nämä sähkövarauksen arvot.

hiukkasten pyörivä liike ja niiden pienen pieniä magneetteja muistuttava käyttäytyminen antoivat tärkeitä vihjeitä niiden rakenteesta. Pyörivä sähköisesti varautunut yläosa käyttäytyy magneetin tavoin. Elektronin pienen magneetin voimakkuutta, jota kutsutaan sen magneettiseksi momentiksi, kuvattiin onnistuneesti Paul Diracin kuuluisalla teorialla ja yhtälöllä.

protonin ja neutronin magneettiset momentit antoivat ensimmäisen viitteitä siitä, että ne eivät olleet alkeeneja, vaan niiden rakenne oli monimutkaisempi. Neutronilla ei ole sähkövarausta, vaan se käyttäytyy pyörivästä negatiivisesta varauksesta koostuvan magneetin tavoin. Tämä viittaa siihen, että neutroni ei ole alkeiskappale, jolla ei ole sähkövarausta, vaan koostuu pienemmistä rakennuspalikoista, joiden sekä positiiviset että negatiiviset varaukset pyörivät vastakkaisiin suuntiin. Protonin magneettinen momentti on paljon suurempi kuin Diracin teorian kuvaama.

yksi kvarkkimallin ensimmäisistä onnistumisista oli osoittaa, miten hiukkasten pyörähdysten ja magneettisten momenttien oikeat kokeelliset arvot saatiin laskemalla yhteen kvarkkien pyörähdysten ja magneettisten momenttien osuudet kussakin. Kolmesta kvarkista koostuvan baryonin spin on kolme kertaa elektronin tai protonin spin, jos pyörähdykset ovat samansuuntaisia, ja sen spin on yhtä suuri kuin elektronin spin, jos yhden spin on vastakkainen kahden muun Spinin kanssa. Kvarkista ja antikvarkista muodostuvan mesonin spin on kaksinkertainen elektronin spiniin nähden, jos kierrokset ovat samansuuntaiset ja nolla spiniin, jos ne ovat vastakkaiset ja kumoavat. Kaikkien mitattujen hiukkasten pyörähdykset sopivat tähän kuvaan.

saadakseen protonin ja neutronin magneettisten momenttien arvot on ensin huomattava, että protoni koostuu kahdesta U-kvarkista, joilla on samansuuntaiset Spinit ja yhdestä d-kvarkista, jolla on vastakkainen spin. U-ja d-kvarkeilla on vastakkaiset sähkövarauksen merkit, niiden magneetit osoittavat samaan suuntaan, kun ne pyörivät vastakkaisiin suuntiin. Jokainen kvarkin magneettinen momentti on verrannollinen sen sähkövaraukseen. Näin ollen protonin kaksi u-kvarkkia, joilla on varaus+⅔, osallistuvat kumpikin + ⅔ Diracin magneettisen momentin yksikköihin, kun taas D-kvarkki, jolla on varaus -⅓, pyörii vastakkaiseen suuntaan ja osallistuu – ⅓ Diracin yksikköön. Karkeassa approksimaatiossa näitä lisätään, jotta saadaan protonin magneettinen momentti + 5/3 Diracin yksikköinä. Neutronissa on kaksi D-kvarkkia, joiden varaus – ⅓ – yksiköt ja rinnakkaispyöräytykset kukin myötävaikuttavat – ⅓ – yksiköt, ja yksi u-kvarkki, Jonka Varaus- ⅔ ja vastakkainen spin – ⅔ – yksiköt antavat neutronimagneettisen momentin -4/3 Dirac-yksikköä. Tämä antaa -5/4 protonin ja neutronien magneettisten momenttien suhteelle. Tarkempi laskelma, jossa käytetään kvanttimekaanista pyöräytysten yhteenlaskua, antaa -3/2, joka on huomattavan hyvin yhtäpitävä kokeellisen arvon -1,46 kanssa. Neutroni-ja protonimomenttien summa on ⅓ Diracin yksikkö. Kohtuullinen oletus kvarkin Diracin yksikön arvolle antaa kokeellisen arvon 0,33.

tämä on tyypillistä aihetodisteiden kasaantumista tukemaan käsitystä, jonka mukaan kvarkit ovat aineen oikeita rakennuspalikoita. Ensin neutronin ja protonin sähkövaraukset ja kaikki muut hiukkaset tulevat ulos oikein. Toiseksi selitetään neutronien ja protonien magneettisten momenttien pyörähdykset ja hyvin tarkat oikeat arvot. Kaikki nämä vahvistavat kuvaa, että hiukkaset käyttäytyvät ” ikään kuin ne olisi tehty kvarkeista.”Heidän sähköään, magnetismiaan ja kehräystään olisi hyvin vaikea ymmärtää, ellei niitä olisi rakennettu näistä rakennusosista. Ei olisi esimerkiksi selvää, miksi neutronilla, jolla ei ole sähkövarausta, on samanlainen magneettinen momentti kuin protonilla, jolla on sähkövaraus, tai miksi neutronilla on myös päinvastainen merkki ja oikea suhde kvarkkimallin ennustamaan protonimomenttiin.

tämä on vain yksi esimerkki aihetodisteista, jotka tukevat sitä johtopäätöstä, että kvarkit ovat kaiken aineen perusrakennuspalikoita. Standardimalli, joka ohjaa kaikkia teoreettisia ja kokeellisia tutkimuksia hiukkasfysiikassa, alkaa tästä tiedosta, vaikka yksittäisiä kvarkkeja ei ole koskaan havaittu.

Katso myös: Eightfold Way; Standard Model; Symmetry Principles