Kwarki, odkrycie

XX wiek rozpoczął się od potwierdzenia, że materia nie jest ciągła, ale zbudowana z maleńkich atomów i cząsteczek. Zakończyło się to potwierdzeniem, że materia składa się częściowo z jeszcze mniejszych obiektów zwanych kwarkami.

Atomy składają się z jąder i elektronów, a jądra z neutronów i protonów. Jednak w 1950 roku proton i neutron zostały uznane za ostateczne elementarne składniki materii. Pion był nośnikiem silnej siły, która przyciągała protony i neutrony do tworzenia jąder, tak jak Foton był nośnikiem siły elektromagnetycznej, która wiązała elektrony i jądra w Atomy. Jednak w 1962 roku odkryto wiele nowych, nieoczekiwanych cząstek. Najpierw zgrupowano je w rodziny zwane multipletami i opisywano ośmiokrotnie. W 1966 roku stało się jasne, że żadna z nowych cząstek nie może być naprawdę elementarna. Neutron, proton i pion nie różniły się jakościowo od elektronu i fotonu; One i wszystkie nowe silnie oddziałujące ze sobą cząstki, zwane barionami i mezonami, zbudowane zostały z tych samych, jeszcze mniejszych bloków, zwanych teraz kwarkami.

Sam ośmiokrotny sposób był zagadkowy, ponieważ nie podał powodu, dla którego należy znaleźć konkretne multiplety. Podobnie jak Tablica Mendelejewa pierwiastków chemicznych, umożliwiała klasyfikację tak zwanych „elementarnych składników materii”, ale sama ich liczba sugerowała, że nie wszystkie mogą być elementarne.

w 1963 Hayim Goldberg i Yuval Ne ’ Eman zauważyli, że wszystkie znane cząstki mogą być zbudowane matematycznie z tych samych trzech bloków, obecnie zwanych kwarkami górnymi (u), dolnymi (D) i dziwnymi (s), wraz z ich antycząstkami, obecnie zwanymi antykwarkami.

w 1964 roku Murray Gell-Mann i George Zweig ośmielili się zaproponować, że są to rzeczywiście podstawowe budulce materii. Ale pojawiły się poważne trudności. Elektron, neutron, proton i pion zostały odkryte eksperymentalnie jako pojedyncze cząstki, które można było wykryć i stworzyć indywidualnie i których ścieżki w przestrzeni można było określić. Jednak przy obecnej technologii naukowcy nadal nie są w stanie tworzyć ani badać pojedynczych kwarków. Ale naukowcy już wierzyli, że materia składa się z atomów i cząsteczek na długo przed tym, zanim ktokolwiek je stworzył lub wykrył indywidualnie. Być może przyszłe odkrycia umożliwią tworzenie i wykrywanie kwarków.

nie ma prostych odpowiedzi na pytania, kto odkrył atom, kto odkrył kwark i jak powstała rzeczywistość atomów i kwarków. Jedna z możliwych odpowiedzi pojawia się w książce E. D. Hirscha Jr.szkoły, których potrzebujemy i dlaczego ich nie mamy: „społeczność naukowa wyciąga wnioski poprzez wzór niezależnej konwergencji (rodzaj triangulacji intelektualnej), który jest wraz z dokładnym przewidywaniem, jednym z najpotężniejszych wzorców budowania zaufania w badaniach naukowych. Jest niewiele przykładów w historii nauki, lub ich brak, gdy ten sam wynik, osiągnięty trzema lub bardziej niezależnymi środkami, został obalony” (s. 159). Hirsch przytacza biografię Einsteina Abrahama Paisa jako przykład tej zbieżności:

debata na temat rzeczywistości molekularnej została rozstrzygnięta raz na zawsze ze względu na nadzwyczajne porozumienie w wartościach N uzyskanych wieloma różnymi metodami. Sprawy zostały zakończone nie przez określenie N, ale przez przesadne określenie N. Na podstawie badań tak różnorodnych jak radioaktywność, ruch Browna i błękit nieba, do 1909 roku można było stwierdzić, że kilkanaście niezależnych sposobów pomiaru N dało wyniki w niezwykłej zgodzie ze sobą.

w 1966 roku tego rodzaju poszlaki przekonały Richarda Dalitza, że materia składa się z kwarków, kiedy wygłosił swój zaproszony przegląd na dorocznej Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii w Berkeley w Kalifornii. Dowody te obejmowały istnienie doświadczalnie zaobserwowanych regularności we właściwościach cząstek utworzonych w wysokoenergetycznych akceleratorach, fakt, że zderzenia między różnymi rodzajami cząstek były po prostu powiązane, fakt, że właściwości elektromagnetyczne różnych mezonów i barionów były po prostu powiązane, obserwowany doświadczalny stosunek momentów magnetycznych neutronu i protonu oraz fakt, że anihilacja protonu i antyprotonu w spoczynku prawie zawsze wytwarzała trzy mezony. Te były w inny sposób niewyjaśnione i zbiegły się na ten sam wniosek: mezony i bariony zostały zbudowane z tych samych elementarnych bloków. Ta niezależna zbieżność ostatecznie przekonała wszystkich, że wszystkie z wielu cząstek opisanych Ośmioraką drogą nie były podstawowymi budulcami materii, jak dawniej wierzono, ale same były zbudowane z jeszcze mniejszych budulców.

wielu fizyków cząsteczkowych nie mogło zrozumieć, dlaczego kwarki nie były ogólnie akceptowane aż do lat 70. XX wieku.jednym z problemów było to, że wartości ładunków elektrycznych kwarków były mniejsze niż ładunek elektryczny elektronu. Kwark u ma dodatni ładunek elektryczny 2/3 wartości ładunku elektronu, a kwarki d I S mają ujemne ładunki 1/3 ładunku elektronu. Do tej pory wszystkie znane cząstki mają wartości ładunku elektrycznego, które są całkowitymi wielokrotnościami ładunku elektronu i jego antycząstki pozytonu. Nigdy nie zaobserwowano cząstek naładowanych frakcyjnie ani izolowanych kwarków.

od 1966 roku gromadzi się coraz więcej poszlak na istnienie kwarków jako budulców, z których zbudowana jest cała materia. Wszystkie cząstki, które są nieustannie odkrywane i które mieszczą się w multipletach zdefiniowanych przez Ośmioraką drogę, zachowują się tak, jakby były zbudowane albo z trzech kwarków, albo z pojedynczego kwarku i pojedynczej antycząstki kwarku zwanej antykwarkiem.

poszukiwanie dowodów na istnienie pojedynczych kwarków

od czasu pierwszej propozycji kwarków w 1964 roku eksperymentatorzy poszukiwali cząstek o ładunkach elektrycznych mniejszych niż ładunek elektronu. Ale nic nie znaleziono. Wszystkie przytłaczające dowody na istnienie kwarków pochodziły z właściwości mezonów i barionów, które wskazywały, że zostały zbudowane z kwarków.

w latach 70.XX wieku eksperymenty strzelające wysokoenergetycznymi elektronami do celu protonu dostarczyły dowodów na to, że elektrony uderzały i były rozpraszane przez pojedyncze kwarki. Tutaj ponownie dowody były nadal poszlaki. Sam kwark nigdy nie został zaobserwowany. Ale elektron rozproszony przez punktowy obiekt z ładunkiem elektrycznym zmienia swój kierunek ruchu i zmienia swoją energię w dobrze zdefiniowany i dobrze znany sposób. Badanie zmian kierunku i energii w eksperymentach rozpraszania elektronów wykazało, że elektrony zostały rozproszone ze składników przypominających punkt w protonie z frakcyjnymi ładunkami elektrycznymi przewidzianymi przez model kwarkowy.

eksperymenty te pomogły potwierdzić, że kwarki osobliwe naprawdę istnieją. Ale postawili dwa nowe pytania. Chociaż kwarki zostały mocno uderzone przez elektron i pochłonęły bardzo wysoką energię i pęd, nigdy nie zostały wyrzucone z protonu. Nigdy nie zaobserwowano izolowanych kwarków wolnych. Wskazywało to na to, że kwarki były związane bardzo silnymi siłami wewnątrz protonu, które trzymały je w zamknięciu. Ale dane rozpraszania elektronów wskazywały, że obiekty rozpraszające elektrony przekazywały energię i pęd jak wolna cząstka, bez dowodów na to, że są ograniczone przez jakiekolwiek silne siły. Te dwie zagadki zostały wyjaśnione w nowym modelu standardowym i nadano im nazwy uwięzienia i asymptotycznej wolności.

siły, które łączą kwarki w mezony i bariony, są tak silne na dużych odległościach, że oddzielenie kwarka od jego sąsiadów kosztuje ogromną ilość energii. Kiedy kwark w protonie zostaje uderzony energią wystarczającą do wytworzenia nowych cząstek, powstaje nowa para kwark-antykwark. Utworzony antykwark następnie łączy się z uderzonym kwarkiem, tworząc pion lub inny MEZON, a utworzony kwark powraca do innych składników pierwotnego protonu. Energia wytwarzana przez uderzenie kwarka w proton nie wypędza go z protonu; kwark odbiera antykwark, który został utworzony przez duży transfer energii, a następnie odchodzi jako MEZON. Tak więc izolowane kwarki nigdy nie są obserwowane jako produkty zderzeń wysokoenergetycznych; raczej zawsze znajdują w zderzeniach partnerów i łączą się z nimi, tworząc mezony i bariony. Są więc zawsze ograniczone przez wiązanie w mezony lub bariony i nigdy nie są obserwowane jako izolowane kwarki wolne.

najnowsze eksperymenty z wysokoenergetycznymi zderzeniami pokazują, jak uderzony kwark tworzy pary kwark-antykwark, które rekombinują na różne sposoby, tworząc łańcuch mezonów i barionów. Uderzony kwark łączy się ze stworzonym antykwarkiem w celu utworzenia mezonu, pozostawiając partnera kwarkowego antykwarka do poszukiwania nowego stworzonego antykwarka itp. Pojawia się w detektorze eksperymentu jako „dżet” cząstek wychodzących z początkowego protonu do uderzonego lub wiodącego kwarku.

analogiem do tego zjawiska odrzutowego z naszego codziennego doświadczenia jest błyskawica. Kiedy ładunek elektryczny na chmurze staje się wystarczająco duży, silna siła na Atomy powietrza staje się tak wielka, że rozpadają się one na dodatnio i ujemnie naładowane jony. Jeśli chmura jest naładowana ujemnie, przyciąga jony dodatnie, pozostawiając jony ujemne do poszukiwania nowych partnerów i tworzenia łańcucha lub ” jet ” przez powietrze, które widzi się jako błyskawica.

Model Standardowy wyjaśnia teraz, w jaki sposób te silne siły nie zakłócają eksperymentów rozpraszania elektronów, które dają informacje o ładunkach elektrycznych kwarków. Teoria pola zwana chromodynamiką kwantową (QCD) stwierdza, że chociaż siły między kwarkami stają się bardzo silne na dużych odległościach, stają się tak słabe na krótkich odległościach, że są zupełnie nieistotne w wysokoenergetycznym rozpraszaniu elektronów. Ta różnica między zachowaniem na krótkich i długich dystansach nazywana jest swobodą asymptotyczną.

poszlaki potwierdzające istnienie kwarku

istnieje wiele poszlaków potwierdzających istnienie kwarku: zgodność z eksperymentalnymi wartościami ładunku elektrycznego, spinu i momentów magnetycznych cząstek z przewidywaniami modelu kwarkowego dostarczyła uderzających dowodów.

ładunki elektryczne barionów zbudowane z trzech kwarków o wartościach ładunku elektrycznego +⅔ i -⅓ mogą wynosić tylko +2, +1, 0 i -1. Ładunki elektryczne mezonów wytworzonych z kwarku i jego sprzężonego ładunku antykwarka mogą wynosić tylko 1, 0 i -1. Wiele setek cząstek jest obecnie znanych i do tej pory wszystkie mają tylko te wartości dla ładunku elektrycznego.

ruch wirujący cząstek i ich zachowanie podobne do małych magnesów dostarczyły ważnych wskazówek do ich struktury. Wirujący naładowany elektrycznie szczyt zachowuje się jak magnes. Siła małego magnesu elektronu, zwanego jego momentem magnetycznym, została z powodzeniem opisana przez słynną Teorię i równanie Paula Diraca.

momenty magnetyczne protonu i neutronu dały pierwszą wskazówkę, że nie są one elementarne, ale mają bardziej skomplikowaną strukturę. Neutron nie ma ładunku elektrycznego, ale zachowuje się jak magnes z wirującego ładunku ujemnego. Sugeruje to, że neutron nie jest obiektem elementarnym bez ładunku elektrycznego, ale składa się z mniejszych bloków konstrukcyjnych o ładunkach dodatnich i ujemnych wirujących w przeciwnych kierunkach. Moment magnetyczny protonu jest znacznie większy niż opisany przez teorię Diraca.

jednym z pierwszych sukcesów modelu kwarków było pokazanie, w jaki sposób uzyskano właściwe wartości doświadczalne spinów cząstek i momentów magnetycznych poprzez zsumowanie udziału spinów kwarków i momentów magnetycznych w każdym z nich. Barion zbudowany z trzech kwarków będzie miał spin trzykrotnie większy niż spin elektronu lub protonu, jeśli spiny są równoległe i będzie miał spin równy spin elektronu, jeśli spin jednego jest przeciwny do spinu pozostałych dwóch. MEZON zbudowany z kwarka i antykwarka będzie miał spin równy dwukrotności spinu elektronu, jeśli spiny są równoległe i zerowe, jeśli są przeciwne i się anulują. Spiny wszystkich mierzonych cząstek pasują do tego obrazu.

aby otrzymać wartości momentów magnetycznych w protonie i neutronie, należy najpierw zauważyć, że proton składa się z dwóch kwarków u o równoległych spinach i jednego kwarka d o przeciwnych spinach. Kwarki u i d mają przeciwne oznaki ładunku elektrycznego, ich magnesy kierują się w tym samym kierunku, gdy wirują w przeciwnych kierunkach. Każdy moment magnetyczny kwarku jest proporcjonalny do jego ładunku elektrycznego. Tak więc dwa kwarki u w protonie z ładunkiem + ⅔ składają + ⅔ jednostki Diraca momentu magnetycznego, podczas gdy kwark d z ładunkiem -⅓ wiruje w przeciwnym kierunku i wnosi -⅓ jednostkę Diraca. W prostym przybliżeniu dodaje się je, aby uzyskać moment magnetyczny protonu jako + 5/3 jednostek Diraca. Neutron ma dwa kwarki d z jednostkami ładunku – ⅓ i równoległymi spinami, z których każdy wnosi -⅓ jednostki, oraz jeden kwark u z jednostkami ładunku – ⅔ i przeciwległego spinu wnoszącymi -⅔, co daje moment magnetyczny neutronu wynoszący -4 / 3 jednostki Diraca. Daje to -5/4 dla stosunku momentów magnetycznych protonu i neutronu. Dokładniejsze obliczenia przy użyciu mechanicznego dodawania spinów dają-3/2, co znakomicie zgadza się z eksperymentalną wartością -1,46. Suma momentów neutronowych i protonowych wynosi ⅓ jednostkę Diraca. Rozsądne założenie dla wartości jednostki kwarku Diraca daje wartość eksperymentalną 0,33.

jest to typowe dla gromadzenia poszlak potwierdzających przekonanie, że kwarki są poprawnymi budulcami materii. Po pierwsze, ładunki elektryczne neutronu, protonu i wszystkich innych cząstek wychodzą prawidłowo. Po drugie, objaśniono spiny i bardzo dokładne wartości momentów magnetycznych neutronu i protonu. Wszystko to potwierdza obraz, że cząstki zachowują się ” tak, jakby były zbudowane z kwarków.”Ich elektryczność, magnetyzm i spin byłyby bardzo trudne do zrozumienia, gdyby nie zostały zbudowane z tych klocków. Nie byłoby jasne, na przykład, dlaczego neutron, który nie ma ładunku elektrycznego, ma moment magnetyczny podobny do protonu, który ma ładunek elektryczny, ani dlaczego neutron ma również przeciwny znak i prawidłowy stosunek do momentu protonowego przewidywanego przez model kwarkowy.

jest to tylko jeden przykład poszlaków potwierdzających wniosek, że kwarki są podstawowymi budulcami wszelkiej materii. Model Standardowy, który kieruje wszystkimi teoretycznymi i eksperymentalnymi badaniami w fizyce cząstek elementarnych, zaczyna się od tej wiedzy, mimo że pojedyncze pojedyncze kwarki nigdy nie były obserwowane.

Zobacz także:Eightfold Way; Standard Model; Symmetry Principles