Quarks, descoberta de

o século XX começou com a confirmação de que a matéria não era contínua, mas feita de pequenos átomos e moléculas. Terminou com a confirmação de que a matéria é feita, em parte, de objetos ainda mais pequenos chamados quarks.

átomos consistem de núcleos e elétrons, e núcleos consistem de nêutrons e prótons. No entanto, em 1950 o próton e o nêutron foram considerados os constituintes elementares finais da matéria. O pion era o portador da força forte que atraía prótons e nêutrons para formar núcleos, assim como o fóton era o portador da força eletromagnética que ligava elétrons e núcleos em átomos. Mas em 1962, muitas novas partículas inesperadas foram descobertas. Eles foram primeiramente agrupados em famílias chamadas multiplets e descritos pelo modo oito. Em 1966 tornou-se claro que nenhuma das novas partículas poderia ser realmente elementar. O nêutron, próton e pion não eram qualitativamente diferentes como o elétron e o fóton.; eles e todas as novas partículas fortemente interagindo chamadas baryons e mésons foram construídos dos mesmos blocos de construção ainda menores agora chamados quarks.

a própria forma oito vezes tinha sido intrigante porque não deu nenhuma razão para que qualquer multiplets particular deve ser encontrado. Como a tabela Mendeleev dos elementos químicos, ela forneceu uma maneira de classificar os chamados “constituintes elementares da matéria”, mas o seu próprio número sugeriu que eles não poderiam ser todos elementares.

Em 1963 Hayim Goldberg e Yuval Ne’eman apontou que todas as partículas conhecidas poderia ser construído matematicamente a partir do mesmo três blocos de construção, agora chamado de up (u ), down (d ), e strange (s ) de quarks, juntamente com suas antipartículas, agora chamado de antiquarks.Em 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig ousaram propor que estes eram de fato os blocos básicos da matéria. Mas surgiu uma grande dificuldade. O elétron, nêutron, próton e pion foram todos descobertos experimentalmente como partículas isoladas que poderiam ser detectadas e criadas individualmente e cujos caminhos através do espaço poderiam ser determinados. No entanto, com a tecnologia atual, os cientistas ainda não são capazes de criar ou estudar quarks individuais. Mas os cientistas já acreditavam que a matéria consistia em átomos e moléculas muito antes de alguém as ter criado ou detectado individualmente. Talvez futuras descobertas tornem possível a criação e detecção de quarks.

não há respostas simples para as perguntas que descobriram o átomo, que descobriram o quark, e como a realidade dos átomos e quarks foi estabelecida. Uma possível resposta aparece no livro de E. D. Hirsch Jr. as escolas de que precisamos e por que não as temos: “a comunidade científica chega a conclusões por um padrão de convergência independente (uma espécie de triangulação intelectual), que é junto com a previsão precisa, um dos mais poderosos padrões de confiança na pesquisa científica. Há poucos ou nenhuns exemplos na história da ciência quando o mesmo resultado, alcançado por três ou mais meios verdadeiramente independentes, foi derrubado” (p. 159). Hirsch cita a biografia de Einstein de Abraham Pais por um exemplo desta convergência:

o debate sobre a realidade molecular foi resolvido de uma vez por todas devido ao extraordinário acordo nos valores de N obtidos por muitos métodos diferentes. Os assuntos foram resolvidos não por uma determinação de N, mas por uma sobredeterminação de N. A partir de temas tão diversos como a radioatividade, o movimento browniano e o azul no céu, foi possível afirmar, em 1909, que uma dúzia de formas independentes de medir N produziu resultados em notável acordo entre si.

In 1966 this kind of circunstancial evidence already convinced Richard Dalitz that matter was made of quarks, when he gave his invited review at the annual International Conference on High Energy Physics in Berkeley, California. Esta evidência incluiu a existência de regularidades observadas experimentalmente nas propriedades de partículas criadas em aceleradores de alta energia, o fato de que colisões entre diferentes tipos de partículas foram simplesmente relacionadas, o fato de que as propriedades eletromagnéticas de diferentes mésons e baryons foram simplesmente relacionadas, a relação experimental observada dos momentos magnéticos do nêutron e próton, e o fato de que a aniquilação de um próton e um antiprotão em repouso quase sempre produziu três mésons. De outro modo, estas eram inexplicáveis e convergiam para a mesma conclusão: mésons e baryons foram construídos a partir dos mesmos blocos de construção elementares. Esta convergência independente acabou convencendo a todos que todas as muitas partículas descritas pelo Eigold Way não eram os blocos básicos de construção da matéria, como se acreditava anteriormente, mas foram elas mesmas construídas de blocos de construção ainda menores.

muitos físicos de partículas não conseguiam entender por que os quarks não eram geralmente aceitos até a década de 1970. um problema era que os valores das cargas elétricas dos quarks eram menores que a carga elétrica do elétron. O quark u tem uma carga elétrica positiva dois terços do valor da carga do elétron, e os quarks d E s têm cargas negativas um terço da carga do elétron. Até agora todas as partículas conhecidas têm valores de carga elétrica que são múltiplos integrais da carga do elétron e sua antipartícula o positrão. Nunca foram observadas partículas fraccionalmente carregadas nem quarks isolados.

ainda mais e mais evidências circunstanciais para a existência de quarks como os blocos de construção a partir dos quais toda a matéria é construída tem acumulado desde 1966. Todas as partículas que estão continuamente sendo descobertas e que se encaixam nos multiplos definidos pela forma oito vezes se comportam como se fossem construídas a partir de três quarks ou de um único quark e uma única anti-partícula do quark chamada antiquark.

The Search for Evidence for Individual Quarks

Ever since the first quark proposal in 1964, experimenters have searched for particles with electric charges less than the charge of the electron. Mas nenhum foi encontrado. Toda a evidência esmagadora para a existência de quarks veio de propriedades dos mésons e baryons que indicavam que eles foram construídos a partir de quarks.

In the 1970s experiments shooting high-energy electrons at a proton target produced evidence that the electrons were striking and being scattered by single quarks. Mais uma vez, as provas ainda eram circunstanciais. O próprio quark nunca foi observado. Mas um elétron espalhado por um objeto pontiagudo com uma carga elétrica muda sua direção de movimento e muda sua energia de uma forma bem definida e bem conhecida. Estudando as mudanças de direção e energia nos experimentos de dispersão de elétrons indicaram que os elétrons estavam dispersos de constituintes pontiagudos no próton com as cargas elétricas fracionais previstas pelo modelo quark.Estes experimentos ajudaram a confirmar que os quarks peculiares realmente existiam. Mas levantaram duas novas questões. Embora os quarks foram atingidos com muita força pelo elétron, e absorveram uma energia muito alta e impulso, eles nunca foram nocauteados para fora do próton. Quarks livres isolados nunca foram observados. Isto indicava que os quarks estavam ligados por forças muito fortes dentro do próton que os mantinha confinados. Mas os dados de dispersão de elétrons indicavam que os objetos espalhando os elétrons transferiam energia e momento como uma partícula livre, sem evidência de ser restringida por quaisquer forças fortes. Estes dois quebra-cabeças foram esclarecidos no novo modelo padrão e deram os nomes de confinamento e liberdade assintótica.

as forças que unem quarks em mésons e baryons são tão fortes em grandes distâncias que separar um quark de seus vizinhos custa uma enorme quantidade de energia. Quando um quark em um próton é atingido com uma energia suficiente para criar novas partículas, um novo par quark-antiquark é criado. O antiquark criado então se combina com o quark atingido para criar um pion ou outro méson, e o quark criado retorna aos outros constituintes do próton original. A energia produzida por golpear um quark em um próton não conduz o quark por si só para fora do próton.; o quark pega num antiquark que foi criado pela grande transferência de energia e depois sai como um méson. Assim, quarks isolados nunca são observados como produtos de colisões de alta energia; ao contrário, eles sempre encontram parceiros criados nas colisões e se combinam com eles para formar mésons e bárions. Eles são, portanto, sempre confinados por estarem ligados a mésons ou bárions e nunca são observados como quarks livres isolados.Os experimentos mais recentes com colisões de alta energia mostram como um quark atingido cria pares quark-anti-quark que se recombinam de maneiras diferentes para criar uma cadeia de mésons e baryons. Os quarkcombines atingidos com um antiquark criado para formar um méson, deixando o parceiro quark do antiquark para procurar um antiquark novo criado, etc. Isto aparece no detector do experimento como um “jato” de partículas saindo do próton inicial para o quark atingido ou líder.

um análogo a este fenómeno de jato a partir da nossa experiência diária é o relâmpago. Quando a carga elétrica sobre uma nuvem se torna suficientemente grande, a força forte sobre os átomos do ar torna-se tão grande que eles se dividem em íons carregados positiva e negativamente. Se a nuvem é carregada negativamente, ela atrai os íons positivos, deixando os íons negativos para procurar novos parceiros e criar uma cadeia ou” jato ” através do ar que se vê como um relâmpago.

the Standard Model now explains how these strong forces do not disturby the electron scattering experiments that give information about the electric charges of the quarks. A teoria do campo chamada cromodinâmica quântica (QCD) afirma que, embora as forças entre quarks se tornem muito fortes a longas distâncias, elas se tornam tão fracas a curtas distâncias que são completamente insignificantes em dispersão de elétrons de alta energia. Esta diferença entre o comportamento de curta e longa distância é chamada de liberdade assintótica.

as provas circunstanciais que suportam o quadro de quarks

existem muitas provas circunstanciais que suportam a existência do quark: the agreement with the experimental values of the electric charge, spin, and magnetic moments of particles with quark model predictions have provided striking evidence.

as cargas elétricas de bárions feitas a partir de três quarks com valores de carga elétrica +⅔ e – ⅓ só podem ser +2, +1, 0 e -1. As cargas elétricas de mésons feitas a partir de um quark e seu antiquark conjugado de carga podem ser apenas 1, 0, e -1. Muitas centenas de partículas são agora conhecidas, e até agora todas têm apenas estes valores para a carga elétrica.

o movimento giratório das partículas e a sua exposição de comportamento semelhante a minúsculos ímãs forneceu pistas importantes para a sua estrutura. Um topo girando eletricamente carregado comporta-se como um íman. A força do pequeno íman do elétron, chamado de seu momento magnético, foi descrita com sucesso pela famosa teoria e equação de Paul Dirac.

os momentos magnéticos do próton e nêutron deram a primeira indicação de que eles não eram elementares, mas tinham uma estrutura mais complicada. O nêutron não tem carga elétrica, mas se comporta como um íman feito de carga negativa girando. Isto sugere que o nêutron não é um objeto elementar sem carga elétrica, mas consiste em blocos menores com cargas positivas e negativas girando em direções opostas. O momento magnético do próton é muito maior do que o descrito pela teoria de Dirac.

um dos primeiros sucessos do modelo quark foi mostrar como os valores experimentais corretos de spins de partículas e momentos magnéticos foram obtidos adicionando as contribuições dos spins de quark e momentos magnéticos em cada um. Um bárion feito de três quarks terá um spin três vezes o spin do elétron ou próton se os spins são paralelos e terá um spin igual ao spin do elétron se o spin de um for oposto ao spin dos outros dois. Um méson feito de um quark e um antiquark terá um spin igual ao dobro do spin de elétrons se os spins são paralelos e spin zero se eles são opostos e cancelam. As curvas de todas as partículas medidas encaixam nesta imagem.

para obter os valores dos momentos magnéticos no próton e nêutron, deve-se primeiramente notar que o próton consiste de dois quarks u com spins paralelos e um quark d com spin oposto. Os quarks u E d têm sinais opostos de carga elétrica, seus ímãs apontam na mesma direção quando eles estão girando em direções opostas. Cada momento magnético quark é proporcional à sua carga elétrica. Assim, os dois quarks u no próton com carga +⅔ cada contribuem com unidades Dirac +⅔ de momento magnético, enquanto o quark d com carga – ⅓ está girando na direção oposta e contribui com a unidade Dirac -⅓. In a crude approximation one adds these to get the proton magnetic moment as + 5/3 Dirac units. O nêutron tem dois quarks d com unidades de carga -⅓ e spins paralelos cada uma contribuindo-units Unidades, e um quark u com carga -⅔ e unidades de spin opostas contribuindo -⅔ para dar um momento magnético de nêutrons de -4/3 unidades Dirac. Isto dá-5/4 para a razão dos momentos magnéticos de próton e nêutrons. A more accurate calculation using the quantum mechanical adding of spins gives-3/2, which agrees notably well with the experimental value of -1.46. A soma dos momentos de nêutrons e prótons é a unidade ⅓ Dirac. Uma suposição razoável para o valor da unidade quark Dirac dá um valor experimental de 0.33.

isto é típico da acumulação de evidências circunstanciais que sustentam a crença de que quarks são os blocos de construção corretos da matéria. Primeiro, as cargas elétricas do nêutron e próton e todas as outras partículas saem bem. Em segundo lugar, são explicados os spins e valores corretos muito precisos para os momentos magnéticos do neutrão e do protão. Tudo isso confirma a imagem de que as partículas se comportam “como se fossem feitas de quarks.”Sua eletricidade, magnetismo e rotação seria muito difícil de entender se eles não fossem construídos a partir desses blocos de construção. Não seria claro, por exemplo, por que o nêutron, que não tem carga elétrica, tem um momento magnético semelhante ao próton, que tem carga elétrica, ou por que o nêutron também tem o sinal oposto e a razão correta para o momento do próton previsto pelo modelo quark.

este é apenas um exemplo das evidências circunstanciais que sustentam a conclusão de que quarks são os blocos básicos de construção de toda a matéria. O modelo padrão que guia todas as investigações teóricas e experimentais em física de partículas começa com este conhecimento, embora quarks individuais isolados nunca tenham sido observados.

See also:Eightfold Way; Standard Model; Symmetry Principles