Kvarker, Oppdagelse av

det tjuende århundre begynte med bekreftelsen på at saken ikke var kontinuerlig, men laget av små atomer og molekyler. Det endte med bekreftelsen på at saken er laget, delvis, av enda mindre gjenstander kalt kvarker.

Atomer består av kjerner og elektroner, og kjerner består av nøytroner og protoner. Men i 1950 ble proton og nøytron ansett som de siste elementære bestanddelene av materie. Pionen var bæreren av den sterke kraften som tiltrukket protoner og nøytroner for å danne kjerner, akkurat som fotonen var bæreren av den elektromagnetiske kraften som bundet elektroner og kjerner i atomer. Men i 1962 hadde mange nye uventede partikler blitt oppdaget. De ble først gruppert i familier kalt multiplets og beskrevet Av Eightfold Way. I 1966 ble det klart at ingen av de nye partiklene kunne være veldig elementære. Nøytronet, protonet og pionen var ikke kvalitativt forskjellige som elektronen og fotonen; de og alle de nye sterkt samvirkende partiklene kalt baryoner og mesoner ble bygget av de samme enda mindre byggesteinene som nå kalles kvarker.

Eightfold Way selv hadde vært forvirrende fordi det ga ingen grunn til at noen spesielle multiplets skulle bli funnet. Som Mendeleev-tabellen over de kjemiske elementene ga det en måte å klassifisere de såkalte «elementære bestanddelene av materie», men deres tall antydet at de ikke alle kunne være elementære.

I 1963 Påpekte Hayim Goldberg og Yuval ne ‘ eman at alle kjente partikler kunne konstrueres matematisk fra de samme tre byggesteinene, nå kalt up (u ), down (d) og strange (s ) kvarker, sammen med deres antipartikler, nå kalt antikvarker.

I 1964 våget Murray Gell-Mann og George Zweig å foreslå at disse faktisk var de grunnleggende byggesteinene i materie. Men en alvorlig vanskelighet oppstod. Elektron, nøytron, proton og pion ble alle oppdaget eksperimentelt som isolerte partikler som kunne oppdages og opprettes individuelt og hvis veier gjennom rommet kunne bestemmes. Men med dagens teknologi er forskere fortsatt ikke i stand til å lage eller studere individuelle kvarker. Men forskere trodde allerede at saken besto av atomer og molekyler lenge før noen hadde skapt eller oppdaget dem individuelt. Kanskje fremtidige funn vil gjøre det mulig å skape og oppdage kvarker.

det er ingen enkle svar på spørsmålene som oppdaget atomet, som oppdaget kvarken, og hvordan virkeligheten av atomer og kvarker ble etablert. Et mulig svar vises I Boken Av Ed Hirsch Jr. Skolene Vi Trenger Og Hvorfor Vi Ikke Har Dem: «det vitenskapelige samfunn når konklusjoner ved et mønster av uavhengig konvergens (en slags intellektuell triangulasjon), som sammen med nøyaktig prediksjon, et av de mektigste tillitsbyggende mønstrene i vitenskapelig forskning. Det er få eller ingen eksempler i vitenskapens historie når det samme resultatet, nådd med tre eller flere virkelig uavhengige midler, er blitt veltet» (s.159). Hirsch siterer Abraham Pais biografi Av Einstein for et eksempel på denne konvergensen:

debatten om molekylær virkelighet ble avgjort en gang for alle på grunn Av den ekstraordinære avtalen I verdiene Av N oppnådd ved mange forskjellige metoder. Saker ble clinched ikke ved en bestemmelse Av N, men ved en overdetermination Av N. Fra emner så forskjellige som radioaktivitet, Brownsk bevegelse og det blå på himmelen, var det mulig å si i 1909 at et dusin uavhengige måter å måle N ga resultater i bemerkelsesverdig avtale med hverandre.

I 1966 overbeviste Denne typen indisier Allerede Richard Dalitz om at saken var laget av kvarker, da han ga sin inviterte anmeldelse på den årlige Internasjonale Konferansen Om Høy Energi Fysikk I Berkeley, California. Dette beviset inkluderte eksistensen av eksperimentelt observerte regulariteter i egenskapene til partikler opprettet ved høy-energi akseleratorer, det faktum at kollisjoner mellom forskjellige typer partikler bare var relatert, det faktum at de elektromagnetiske egenskapene til forskjellige mesoner og baryoner bare var relatert, det observerte eksperimentelle forholdet mellom de magnetiske øyeblikkene til nøytron og proton, og det faktum at utslettelsen av et proton og et antiproton i ro nesten alltid produserte tre mesoner. Thesewere ellers uforklarlig og konvergerte på samme konklusjon: mesoner og baryoner ble bygget fra de samme elementære byggesteinene. Denne uavhengige konvergensen overbeviste til slutt alle om at alle de mange partiklene beskrevet Av Eightfold Way ikke var de grunnleggende byggesteinene i materie, som tidligere var antatt, men selv ble bygget av enda mindre byggesteiner.

mange partikkelfysikere kunne ikke forstå hvorfor kvarker ikke var generelt akseptert før langt inn i 1970-tallet. et problem var at verdiene av kvarkens elektriske ladninger var mindre enn elektronens elektriske ladning. U-kvarken har en positiv elektrisk ladning to tredjedeler av verdien av elektronens ladning, og d-og s-kvarkene har negative ladninger en tredjedel av elektronens ladning. Så langt har alle kjente partikler verdier av elektrisk ladning som er integrerte multipler av ladningen av elektronen og dens antipartikkel positronen. Verken fraksjonalt ladede partikler eller isolerte kvarker har noen gang blitt observert.

enda flere og flere indisier for eksistensen av kvarker som byggesteinene som all materie er konstruert fra, har akkumulert siden 1966. Alle partiklene som kontinuerlig blir oppdaget og som passer inn i multiplettene definert Av Eightfold Way oppfører seg som om de enten er bygget fra tre kvarker eller fra en enkelt kvark og en enkelt anti-partikkel av kvarken kalt en antikvark.

Søket Etter Bevis For Individuelle Kvarker

helt siden det første kvarkforslaget i 1964 har eksperimenter søkt etter partikler med elektriske ladninger mindre enn ladningen av elektronen. Men ingen har blitt funnet. Alle de overveldende bevis for eksistensen av kvarker kom fra egenskapene til mesoner og baryoner som indikerte at de ble bygget fra kvarker.

i 1970-årene eksperimenter skyte høy-energi elektroner på et proton mål produsert bevis for at elektronene var slående og blir spredt av enkelt kvarker. Her igjen bevisene var fortsatt indisier. Kvarken selv ble aldri observert. Men et elektron spredt av et punktlignende objekt med en elektrisk ladning endrer bevegelsesretningen og endrer sin energi på en veldefinert og kjent måte. Studier av endringer i retning og energi i elektronspredningseksperimentene indikerte at elektronene ble spredt fra punktlignende bestanddeler i protonen med de fraksjonelle elektriske ladningene som ble spådd av kvarkmodellen.

disse forsøkene bidro til å bekrefte at de særegne kvarkene virkelig eksisterte. Men de reiste to nye spørsmål. Selv om kvarkene ble rammet veldig hardt av elektronen, og de absorberte en meget høy energi og momentum, ble de aldri slått ut av protonen. Isolerte frie kvarker ble aldri observert. Dette indikerte at kvarkene var bundet av svært sterke krefter inne i protonen som holdt dem begrenset. Men elektronspredningsdataene indikerte at objektene som spredte elektronene overførte energi og momentum som en fri partikkel, uten tegn på å være begrenset av sterke krefter. Disse to oppgavene har blitt avklart i den nye Standardmodellen og gitt navnene på innesperring og asymptotisk frihet.

kreftene som binder kvarker sammen til mesoner og baryoner er så sterke på store avstander at det å skille en kvark fra sine naboer koster en enorm mengde energi. Når en kvark i et proton rammes med en energi som er tilstrekkelig til å skape nye partikler, opprettes et nytt kvark-antikvarkpar. Den skapte antikvarken kombinerer deretter med den strukte kvarken for å skape en pion eller annen meson, og den opprettede kvarken vender tilbake til de andre bestanddelene i den opprinnelige protonen. Energien som produseres ved å slå en kvark i en proton, driver ikke kvarken av seg selv ut av protonen; kvarken plukker opp en antikvark som er skapt av den store energioverføringen og går deretter av som en meson. Således blir isolerte kvarker aldri observert som produkter av høyenergikollisjoner; snarere finner de alltid partnere opprettet i kollisjonene og kombinerer med dem for å danne mesoner og baryoner. De er således alltid begrenset ved å være bundet til mesoner eller baryoner og blir aldri observert som isolerte frie kvarker.

Nyere eksperimenter med høyenergikollisjoner viser hvordan en truffet kvark skaper kvark-anti-kvarkpar som rekombinerer på forskjellige måter for å skape en kjede av mesoner og baryoner. Den strukte kvarkkombinerer med en opprettet antikvark for å danne en meson, slik at kvarkpartneren til antikvarken søker en ny opprettet antikvark, etc. Dette vises i eksperimentets detektor som en» jet » av partikler som går ut fra den første protonen til den slått eller ledende kvarken.

en analog til dette jetfenomenet fra vår daglige opplevelse er lyn. Når den elektriske ladningen på en sky blir tilstrekkelig stor, blir den sterke kraften på luftatomene så stor at de bryter opp i positivt og negativt ladede ioner. Hvis skyen er negativt ladet, tiltrekker den de positive ionene, forlater de negative ionene for å søke etter nye partnere og skape en kjede eller» jet » gjennom luften som man ser som lyn.

Standardmodellen forklarer nå hvordan disse sterke kreftene ikke forstyrrer elektronspredningseksperimentene som gir informasjon om kvarkens elektriske ladninger. Feltteorien kalt quantum chromodynamics (QCD) sier at selv om kreftene mellom kvarker blir veldig sterke på lange avstander, blir de så svake på korte avstander at de er helt ubetydelige i høy-energi elektronspredning. Denne forskjellen mellom kort og lang avstand atferd kalles asymptotisk frihet.

Indisier Som Støtter Kvarkbildet

det er mye indisier som støtter eksistensen av kvarken: avtalen med eksperimentelle verdier av elektrisk ladning, spinn og magnetiske øyeblikk av partikler med kvarkmodellspådommer har gitt slående bevis.

de elektriske ladningene til baryoner laget av tre kvarker med elektriske ladningsverdier +⅔ og -⅓ kan bare være +2, +1, 0 og -1. De elektriske ladningene til mesoner laget av en kvark og dens ladning-konjugerte antikvark kan bare være 1, 0 og -1. Mange hundre partikler er nå kjent, og så langt har alle bare disse verdiene for elektrisk ladning.

partikkelens spinnende bevegelse og deres visning av oppførsel som ligner på små magneter ga viktige ledetråder til strukturen. En spinnende elektrisk ladet topp oppfører seg som en magnet. Styrken til elektronens lille magnet, kalt dets magnetiske øyeblikk, ble vellykket beskrevet Av Paul Diracs berømte teori og ligning.

de magnetiske øyeblikkene til protonet og nøytronet ga den første indikasjonen på at de ikke var elementære, men hadde en mer komplisert struktur. Nøytronet har ingen elektrisk ladning, men oppfører seg som en magnet laget av spinnende negativ ladning. Dette antyder at nøytronet ikke er et elementært objekt uten elektrisk ladning, men består av mindre byggeklosser som har både positive og negative ladninger som spinner i motsatt retning. Det protonmagnetiske øyeblikket er mye større enn Det Som Er beskrevet Av Diracs teori.

En av de første suksessene til kvarkmodellen viste hvordan de riktige eksperimentelle verdiene for partikkelspinn og magnetiske momenter ble oppnådd ved å legge opp bidragene fra kvarkspinnene og magnetiske momenter i hver. En baryon laget av tre kvarker vil ha et spinn tre ganger spinnet av elektronen eller protonen hvis spinnene er parallelle og vil ha et spinn som er lik elektronspinnet hvis spinnet av en er motsatt spinnet av de andre to. En meson laget av en kvark og en antikvark vil ha et spinn lik to ganger elektron spinn hvis spinnene er parallelle og null spinn hvis de er motsatt og avbryte. Spinnene til alle målte partikler passer til dette bildet.

for å oppnå verdiene av de magnetiske øyeblikkene i protonet og nøytronet må man først merke seg at protonet består av to u-kvarker med parallelle spinn og en d-kvark med motsatt spinn. U-og d-kvarkene har motsatte tegn på elektrisk ladning, deres magneter peker i samme retning når de spinner i motsatt retning. Hvert kvarkmagnetisk øyeblikk er proporsjonalt med dets elektriske ladning. Dermed bidrar de to u-kvarkene i protonen med en kostnad +⅔ hver +⅔ Dirac-enheter i magnetisk moment, mens d-kvarken med en kostnad- ⅓ spinner i motsatt retning og bidrar til – ⅓ Dirac-enhet. I en rå tilnærming legger man til disse for å få protonmagnetisk øyeblikk som +5/3 Dirac-enheter. Neutron har to d-kvarker med belastende -⅓ og parallelle spinn hver medvirkende -⅓, og en u quark med belastende -⅔ og motsatt spin som bidrar -⅔ enheter for å gi et nøytronmagnetisk moment på -4/3 Dirac-enheter. Dette gir -5 / 4 for forholdet mellom proton-og nøytronmagnetiske øyeblikk. En mer nøyaktig beregning ved hjelp av kvantemekanisk tilsetning av spinn gir-3/2, som stemmer bemerkelsesverdig godt med eksperimentell verdi på -1,46. Summen av nøytron-og protonmomentene er ⅓ Dirac-enhet. En rimelig antagelse for verdien av kvark Dirac-enheten gir en eksperimentell verdi på 0,33.

dette er typisk for akkumulering av indisier som støtter troen på at kvarker er de riktige byggesteinene av materie. For det første kommer de elektriske ladningene til nøytron og proton og alle andre partikler ut rett. For det andre forklares spinnene og svært presise korrekte verdier for de magnetiske øyeblikkene til nøytron og proton. Alle disse bekrefter bildet at partikler oppfører seg «som om de var laget av kvarker.»Deres elektrisitet, magnetisme og spinn ville være svært vanskelig å forstå hvis de ikke ble bygget fra disse byggesteinene. Det ville for eksempel ikke være klart hvorfor nøytronet, som ikke har elektrisk ladning, har et magnetisk øyeblikk som ligner protonet, som har elektrisk ladning, eller hvorfor nøytronet også har motsatt tegn og det riktige forholdet til protonmomentet spådd av kvarkmodellen.

Dette er bare ett eksempel på indisier som støtter konklusjonen om at kvarker er de grunnleggende byggesteinene i all materie. Standardmodellen som styrer alle teoretiske og eksperimentelle undersøkelser i partikkelfysikk begynner med denne kunnskapen, selv om isolerte individuelle kvarker aldri har blitt observert.

Se også:Eightfold Way; Standard Model; Symmetri Principles