쿼크,

의 발견 20 세기는 물질이 연속적이지 않고 작은 원자와 분자로 만들어졌다는 확인에서 시작되었다. 그것은 물질이 쿼크라고 불리는 더 작은 물체들로 부분적으로 만들어진다는 확인과 함께 끝났다.

원자는 핵과 전자로 구성되며,핵은 중성자와 양성자로 구성된다. 그러나 1950 년 양성자와 중성자는 물질의 최종 기본 성분으로 간주되었다. 파이온은 양성자와 중성자를 끌어 당겨 핵을 형성하는 강한 힘의 운반체였으며,광자가 전자와 핵을 원자로 묶는 전자기력의 운반체 인 것처럼. 그러나 1962 년까지 많은 새로운 예기치 않은 입자가 발견되었습니다. 그들은 먼저 다중화라고 불리는 가족으로 그룹화되었고 팔중 방식으로 설명되었습니다. 1966 년까지 새로운 입자 중 어느 것도 실제로 초등 일 수 없다는 것이 분명 해졌다. 중성자,양성자,및 피온 전자 및 광자와 같이 질적으로 다르지 않았습니다; 그들과 바리온과 중간자라는 모든 새로운 강하게 상호 작용하는 입자는 지금 쿼크라는 같은 더 작은 빌딩 블록으로 건설되었다.

팔중의 길 자체는 어떤 특정한 여럿들이 발견되어야 할 이유를 제시하지 못했기 때문에 당혹스러웠다. 화학 원소의 멘델레예프 표와 마찬가지로,그것은 소위”물질의 기본 성분”을 분류 할 수있는 방법을 제공했지만,그 숫자는 모두 초등 일 수는 없다고 제안했다.

1963 년 하임 골드버그와 유발 네먼은 알려진 모든 입자들은 같은 세 개의 빌딩 블록으로 수학적으로 구성될 수 있다고 지적했다.

1964 년 머레이 겔만과 조지 츠바이크는 이것이 실제로 물질의 기본 구성 요소라고 감히 제안했다. 그러나 심각한 어려움이 발생했습니다. 전자,중성자,양성자 및 피온은 모두 개별적으로 검출되고 생성 될 수 있고 공간을 통과하는 경로를 결정할 수있는 고립 된 입자로 실험적으로 발견되었습니다. 그러나 현재의 기술로 과학자들은 여전히 개별 쿼크를 만들거나 연구 할 수 없습니다. 그러나 과학자들은 이미 누군가가 개별적으로 생성하거나 감지하기 훨씬 전에 물질이 원자와 분자로 구성되어 있다고 믿었습니다. 아마도 미래의 발견은 쿼크의 생성과 탐지를 가능하게 할 것입니다.

누가 원자를 발견했는지,누가 쿼크를 발견했는지,원자와 쿼크의 실체가 어떻게 확립되었는지에 대한 간단한 대답은 없다. 우리가 필요로하는 학교와 왜 우리가 가지고 있지 않은 학교:”과학계는 독립적 인 수렴(일종의 지적 삼각 측량)의 패턴으로 결론에 도달하며,이는 정확한 예측과 함께 과학 연구에서 가장 강력한 신뢰 구축 패턴 중 하나입니다. 세 가지 또는 그 이상의 진정으로 독립적 인 수단에 의해 도달 한 동일한 결과가 뒤집혔을 때 과학 역사에는 몇 가지 또는 전혀 예가 없습니다.”(159 쪽). 허쉬 아인슈타인의 아브라함 파이스의 자서전이 수렴의 예를 인용:

분자 현실에 대한 논쟁은 여러 가지 방법으로 얻은 엔 값의 특별한 합의 때문에 한 번에 해결되었습니다. 문제는 엔 의 결정에 의해서가 아니라 엔 의 과결정에 의해 확정되었다. 방사능,브라운 운동,하늘의 푸른 색 등 다양한 피험자들로부터 1909 년까지 12 가지의 독립적 인 측정 방법이 서로 놀라운 합의를 이루었다 고 진술 할 수있었습니다.

1966 년 이런 정황적 증거들은 이미 리처드 달리츠에게 물질이 쿼크로 만들어졌다는 것을 확신시켜 주었고,그는 캘리포니아 버클리에서 열린 연례 국제 고에너지 물리학회의 초청 검토를 받았다. 이 증거는 고 에너지 가속기에서 생성 된 입자의 특성에 실험적으로 관찰 된 규칙 성의 존재,다른 종류의 입자들 사이의 충돌이 단순히 관련이 있다는 사실,다른 중간자와 바리온의 전자기 특성이 단순히 관련이 있다는 사실,중성자와 양성자의 자기 모멘트의 관찰 된 실험 비율,그리고 휴식시 양성자와 반 양성자의 소멸이 거의 항상 3 개의 중간자를 생성한다는 사실을 포함합니다. 이들 그렇지 않으면 설명 할 수없고 동일한 결론에 수렴했습니다: 중간자와 바리온은 동일한 기본 빌딩 블록으로 지어졌습니다. 이 독립적 인 융합은 결국 모든 사람들에게 8 배 방법으로 묘사 된 많은 입자들이 이전에 믿어 왔던 것처럼 물질의 기본 빌딩 블록이 아니라 더 작은 빌딩 블록으로 만들어 졌다는 것을 확신 시켰습니다.

많은 입자 물리학자들은 1970 년대까지 쿼크가 일반적으로 받아들여지지 않는 이유를 이해할 수 없었다.한 가지 문제는 쿼크의 전기 전하의 값이 전자의 전기 전하보다 작다는 것이었다. 유 쿼크는 전자의 전하 값의 3 분의 2 의 양의 전하를 가지고 있으며,디 과 에스 쿼크 음전하를 가지고 전자의 전하의 3 분의 1. 지금까지 알려진 모든 입자는 전자의 전하와 그 반입자 양전자의 적분 배수 인 전하 값을 가지고 있습니다. 분수로 하전 된 입자 나 격리 된 쿼크는 관찰 된 적이 없습니다.

그러나 1966 년 이후 모든 물질이 구성되는 빌딩 블록으로서의 쿼크의 존재에 대한 점점 더 많은 정황 증거들이 축적되어 왔다. 지속적으로 발견되고 있는 모든 입자들은 8 중 방식으로 정의되는 다중체에 들어맞는 입자들은 마치 3 개의 쿼크로부터 또는 하나의 쿼크로부터,그리고 하나의 안티-쿼크라고 불리는 쿼크의 입자들로부터 만들어진 것처럼 행동한다.

개별 쿼크에 대한 증거 검색

1964 년 첫 쿼크 제안 이후 실험자들은 전자의 전하보다 적은 전하를 가진 입자를 검색했다. 그러나 아무도 발견되지 않았습니다. 쿼크의 존재에 대한 모든 압도적 인 증거는 쿼크로 만들어진 것을 나타내는 중간자와 바리온의 특성에서 비롯되었습니다.

1970 년대 양성자 표적에서 고에너지 전자를 쏘는 실험은 전자가 단일 쿼크에 의해 파업하고 흩어져 있다는 증거를 만들어냈다. 여기서 다시 증거는 여전히 정황이었다. 쿼크 자체는 결코 관찰되지 않았습니다. 그러나 전하를 가진 점 같은 물체에 의해 흩어져있는 전자는 운동 방향을 바꾸고 잘 정의되고 잘 알려진 방식으로 에너지를 변화시킵니다. 전자 산란 실험에서 방향과 에너지의 변화를 연구하면 전자가 쿼크 모델에 의해 예측 된 분수 전하와 양성자의 점 같은 구성 요소에서 흩어져 있음을 나타냅니다.

이 실험은 독특한 쿼크가 실제로 존재한다는 것을 확인하는 데 도움이되었습니다. 그러나 그들은 두 가지 새로운 질문을 제기했습니다. 비록 쿼크가 전자에 의해 매우 큰 타격을 받았고,매우 높은 에너지와 운동량을 흡수했지만,그들은 결코 양성자에서 빠져 나가지 않았습니다. 고립 된 자유 쿼크는 결코 관찰되지 않았습니다. 이것은 쿼크가 양성자 내부의 매우 강한 힘에 의해 구속되어 그들을 가두어 두었다는 것을 나타냈다. 그러나 전자 산란 데이터는 전자를 산란시키는 물체가 에너지와 운동량을 자유 입자처럼 전달했으며 강한 힘에 의해 구속된다는 증거는 없었습니다. 이 두 가지 퍼즐은 새로운 표준 모델에서 명확히 밝혀졌으며 감금과 점근 적 자유의 이름이 주어졌습니다.

쿼크를 중간자와 바리온으로 결합시키는 힘은 먼 거리에서 너무 강해서 쿼크를 이웃 쿼크와 분리하는 데 엄청난 에너지가 든다. 양성자의 쿼크가 새로운 입자를 생성하기에 충분한 에너지를 받으면 새로운 쿼크-안티 쿼크 쌍이 생성됩니다. 생성 된 앤티크 그런 다음 공격 쿼크와 결합하여 피온 또는 다른 중간자를 만들고 생성 된 쿼크는 원래 양성자의 다른 구성 요소로 돌아갑니다. 양성자의 쿼크를 쳐서 생성 된 에너지는 양성자에서 그 자체로 쿼크를 구동하지 않습니다; 쿼크는 큰 에너지 전달에 의해 생성 된 앤티 쿼크를 집어 들고 중간자로 꺼집니다. 따라서 고립된 쿼크들은 고에너지 충돌의 산물로서 결코 관찰되지 않는다;오히려 그들은 충돌들 속에서 항상 창조된 동업자들을 발견하고 그것들과 결합하여 중간자와 바리온을 형성한다. 따라서 그들은 항상 중간자 또는 바리온에 묶여 있고 고립된 자유 쿼크로 결코 관찰되지 않는다.

고 에너지 충돌에 대한 최근의 실험은 강타 된 쿼크가 어떻게 쿼크-반 쿼크 쌍을 생성하여 다른 방식으로 재조합하여 중간자와 바리온의 사슬을 생성 하는지를 보여줍니다. 삼진 쿼크 생성 된 안티 쿼크와 결합하여 중간자를 형성하고,안티 쿼크의 쿼크 파트너는 새로운 생성 된 안티 쿼크 등을 추구합니다. 이것은 실험의 검출기에서 초기 양성자에서 타격 또는 선행 쿼크로 나가는 입자의”제트”로 나타납니다.

우리의 일상 경험에서이 제트 현상에 아날로그는 번개입니다. 구름 위의 전하가 충분히 커지면 공기 원자에 강한 힘이 너무 커서 양전하 및 음전하를 띤 이온으로 분해됩니다. 구름이 부정적으로 위탁되는 경우에,새로운 파트너를 찾고 사람이 번개로 보는 공기를 통해서 사슬 또는”제트기”를 창조하기 위하여 부정적인 이온을 남겨두는 긍정적인 이온을 끈다.

표준 모델은 이제 이러한 강한 힘이 쿼크의 전하에 대한 정보를 제공하는 전자 산란 실험을 방해하지 않는 방법을 설명합니다. 양자 색역학이라는 장 이론은 쿼크 사이의 힘이 장거리에서 매우 강해 지지만 짧은 거리에서는 너무 약해져 고 에너지 전자 산란에서는 완전히 무시할 수 있다고 말합니다. 단거리 동작과 장거리 동작 사이의 이러한 차이를 점근 자유라고합니다.

쿼크의 존재를 뒷받침하는 정황적 증거

쿼크의 존재를 뒷받침하는 많은 정황적 증거가 있다.: 전기 요금,스핀,그리고 쿼크 모델 예측 입자의 자기 모멘트의 실험 값과 계약 눈에 띄는 증거를 제공 했다.

전하 값++1,+1,0 및-1 을 갖는 3 개의 쿼크로 이루어진 바리온의 전하들은+2,+1,0 및-1 이 될 수 있다. 쿼크와 그 전하-공액 앤티크로 만든 중간자의 전기 요금은 1,0 및-1 일 수 있습니다. 수백 개의 입자가 현재 알려져 있으며,지금까지 모두 전하에 대한 이러한 값만 가지고 있습니다.

입자의 회전 운동과 작은 자석과 유사한 행동의 표시는 그 구조에 중요한 단서를 제공했다. 회전하는 전기적으로 충전 된 상단은 자석처럼 작동합니다. 전자의 작은 자석의 강도,자기 모멘트라고,성공적으로 폴 디랙의 유명한 이론과 방정식에 의해 설명되었다.

양성자와 중성자의 자기 모멘트는 그들이 초등학교는 아니지만 더 복잡한 구조를 가지고 있다는 것을 처음으로 나타냈다. 중성자에는 전하가 없 그러나 회전시키는 음전하로 만든 자석 같이 행동한다. 이것은 중성자가 전하가없는 기본 물체가 아니지만 반대 방향으로 회전하는 양전하와 음전하를 갖는 더 작은 빌딩 블록으로 구성되어 있음을 시사합니다. 양성자 자기 모멘트는 디랙의 이론에 의해 설명 된 것보다 훨씬 큽니다.

쿼크 모델의 첫 번째 성공 중 하나는 각각의 쿼크 스핀과 자기 모멘트의 기여도를 합산하여 입자 스핀과 자기 모멘트의 올바른 실험 값이 어떻게 얻어 졌는지를 보여주는 것이 었습니다. 세 개의 쿼크로 만든 바리온은 스핀이 평행 한 경우 전자 또는 양성자의 스핀의 세 배의 스핀을 가지며 하나의 스핀이 다른 두 개의 스핀과 반대 인 경우 전자 스핀과 동일한 스핀을 갖습니다. 쿼크와 안티 쿼크로 만들어진 중간자는 스핀이 평행 한 경우 전자 스핀의 두 배와 동일한 스핀을 가지며 반대 인 경우 스핀이 0 이고 취소됩니다. 측정 된 모든 입자의 스핀이이 그림에 맞습니다.

양성자와 중성자의 자기 모멘트의 값을 얻으려면 먼저 양성자가 평행 스핀을 가진 두 개의 유 쿼크와 반대 스핀을 가진 하나의 디 쿼크로 구성된다는 점에 유의해야합니다. 유엔과 디 쿼크는 전하의 반대 부호를 가지고 있으며,자석은 반대 방향으로 회전 할 때 같은 방향을 가리 킵니다. 각 쿼크 자기 모멘트는 전기 요금에 비례합니다. 따라서 두 개의 유 전하를 가진 양성자에있는 쿼크+2018 각각+2018 자기 모멘트의 디랙 단위를 기여하고,디 전하를 가진 쿼크-2018 반대 방향으로 회전하고 2018 반대 방향으로 회전하고 2018 반대 방향으로 회전하고 2018 반대 방향으로 회전하고 2018 반대 방향으로 회전하고 2018 반대 방향으로 회전하고 2018 반대 방향으로 회전합니다. 에 원유 근사 하나는 양성자 자기 모멘트를+5/3 디랙 단위로 얻기 위해 이들을 추가합니다. 중성자는 두 개의 디 쿼크 와 함께 전하-4/3 디랙 단위의 자기 모멘트를 제공하기 위해 전하-4/3 디랙 단위 및 병렬 스핀 각각 기여-4/3 디랙 단위 및 1 개의 유 쿼크 와 반대 스핀 기여-4/3 디랙 단위의 자기 모멘트를 제공합니다. 이것은 양성자와 중성자 자기 모멘트의 비율에 대해 -5/4 를 제공합니다. 스핀의 양자 기계적 추가를 사용하여보다 정확한 계산은 -1.46 의 실험 값과 현저하게 잘 일치하는-3/2 을 제공합니다. 중성자와 양성자 모멘트의 합은 다음과 같습니다. 쿼크 디랙 단위의 값에 대한 합리적인 가정은 0.33 의 실험 값을 제공합니다.

이것은 쿼크가 물질의 올바른 구성 요소라는 믿음을 뒷받침하는 정황 증거의 축적의 전형이다. 첫째,중성자와 양성자 및 다른 모든 입자의 전하가 바로 나옵니다. 둘째,중성자와 양성자의 자기 모멘트에 대한 스핀과 매우 정확한 정확한 값이 설명됩니다. 이 모든 것들은 입자가 쿼크로 만들어진 것처럼”행동하는 그림을 확인합니다.”그들의 전기,자기 및 스핀은 이러한 빌딩 블록으로 만들어지지 않았다면 이해하기 매우 어려울 것입니다. 예를 들어,전하가없는 중성자가 전하를 가진 양성자와 유사한 자기 모멘트를 갖는 이유 또는 중성자가 쿼크 모델에 의해 예측 된 양성자 모멘트에 대한 반대 부호와 정확한 비율을 갖는 이유는 분명하지 않을 것입니다.

이것은 쿼크가 모든 물질의 기본 구성 요소라는 결론을 뒷받침하는 정황 증거의 한 예일 뿐이다. 입자 물리학의 모든 이론적 및 실험적 조사를 안내하는 표준 모델은 고립 된 개별 쿼크가 관찰 된 적이 없더라도 이러한 지식으로 시작됩니다.

또한 참조:8 배 방법;표준 모델;대칭 원리